DE69007939T2

DE69007939T2 - Verfahren zum Herstellen von Gegenständen mit einem Hohlraum durch Pressen.

Info

Publication number: DE69007939T2
Application number: DE69007939T
Authority: DE
Inventors: Marcel Boncoeur; Frederic Valin
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1989-11-24
Filing date: 1990-11-22
Publication date: 1994-10-20
Anticipated expiration: 2010-11-23
Also published as: JPH03174945A; EP0429367A1; FR2654973A1; US5092023A; FR2654973B1; DE69007939D1; EP0429367B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Teilen mit einem Hohlraum durch Pressen.
Ein übliches Verfahren (genannt isostatisches Warmpressen) zur Herstellung von Teilen aus nichtgießbarem Material besteht darin, eine geschlossene, verformbare Hülle, gefüllt mit einem Pulver dieses Materials, mittels eines hydrostatischen Drucks zu pressen. Der Druck verursacht, in Verbindung mit einer ihn begleitenden Erwärmung, eine Sinterung des Pulvers durch Zusammenpressen oder Verdichten. Die Hülle wird anschließend aufgeschlitzt und entfernt, und das Teil kann seine Maße erhalten durch eine maschinelle Endbearbeitung. Es gibt auch das isostatische Pressen ohne Erwärmung, siehe JP-A-62110899.
Im Falle von Teilen, die einen Hohlraum aufweisen und für die der Tiegel ein typisches Beispiel ist, entscheidet man sich manchmal dafür, ein volles Teil zu pressen, d.h. dessen Hülle der Außenkontur folgt und nicht der Kontur des Hohlraums, der gebildet wird durch Bearbeitung nach dem Pressen. Diese Lösung ist prinzipiell wenig zufriedenstellend, denn die verwendeten Materialien lassen sich im allgemeinen sehr schlecht bearbeiten aufgrund ihrer Sprödigkeit und ihrer Härte. Es ist schwierig, einen zufriedenstellenden Oberflächenzustand zu erhalten, ebenso durch Schneidwerkzeuge wie durch Abrasionswerkzeuge, und der Schneidwerkzeugeverbrauch ist sehr hoch. Es kommt sogar häufig vor, daß mechanischen Bearbeitungsspannungen die Teile zerbrechen.
Eine weitere Lösung besteht darin, in der Hülle, ehe man sie füllt, einen nichtverformbaren Kern anzuordnen, der den Hohlraum begrenzt. Die in der Gießerei verwendeten Kerne spielen eine ähnliche Rolle, jedoch sind die beim Pressen entstehenden Probleme unterschiedlich, da sich in der Hülle und dem Kern ebenso wie in dem Teil große mechanische Spannungen entwickeln, sobald das Pulver sich verfestigt.
Einige dieser Spannungen werden verursacht durch die thermischen Dilatationsdifferenzen zwischen dem Teil und der Hülle einerseits und dem Kern andererseits; es ist möglich, zumindest in gewissen Fällen, diese Schwierigkeit zu vermeiden, indem man Materialien wählt mit benachbarten Dilatationskoeffizienten. Die Hülle und der Kern werden dann vorteilhafterweise überzogen mit einer Trennmittelverkleidung, die das Ausformen erleichert. Es ist auch möglich, die Spannungen in dem Teil zu reduzieren durch eine vernünftige Wahl der Temperatur- und Druckzyklen. Man vermeidet dann die Risse und die Brüche vor dem Entfernen der Hülle.
Es gibt jedoch einen Vorgang, der sich nicht kompensieren läßt: es handelt sich um die Kontraktion des Kerns im Laufe der Verdichtung, und um seine Dilatation, wenn er nach dem Entfernen der Hülle wieder dem atmosphärischen Druck ausgesetzt ist. Die erzeugten Spannungen sind bestrebt, das Teil auszudehnen, vor allem nach dem Entfernen der Hülle, die eine Druck- Gegenbelastung ausübte. Wenn das Material des Teils ausreichend dehnbar ist, verformt sich das Teil, jedoch ist sein Zubruchgehen durch Bersten unvermeidlich im Falle eines spröden Materials.
Man hat durch Verwirklichung der Erfindung versucht, dieses Problem zu überwinden, und ebenso das Pressen von Pulver aus spröden Material in Hüllen möglich zu machen, um auf direktem Wege Teile zu erhalten, die einen Hohlraum aufweisen.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kern zu Beginn ein größeres Volumen als das Volumen des Hohlraums hat und während des Pressens partiell aus dem Hohlraum extrudiert wird. In anderen Worten erleidet auch der Kern plastische Verformungen und muß aus einem Material hergestellt werden, das formbarer ist als das des Teils.
Je nach Fall können der Kern und die Hülle aus einem Stück sein oder getrennt; außerdem, die Hülle und der Kern können - oder auch nicht - überzogen werden mit einer Trennmittelverkleidung, die das Ausformen erleichert. Das Verfahren kann nämlich sehr gut angewandt werden bei Teilen, wo der Kern oder die Hülle integrierende Bestandteile des Endprodukts sind.
Die Teile können vor allem aus Keramik sein. Man kann die Oxide (Al&sub2;O&sub3;, CeO&sub2;, ZrO&sub2;), die Boride (TiB&sub2;), die Nitride (TiN, TaN), die Karbide (TaC, NbC), die Silicide (Si&sub3;N&sub4;, SiC) anführen, die Mischungen dieser Keramiken, um granulare Verbindungen herzustellen, die Komposite mit Keramikmatrix oder mit Faserverstärkung. Die Erindung kann ebenfalls angewendet werden bei Kompositen mit Metallmatrix und mit Keramik- oder Metallverstärkung, sowie bei nur gering verformbaren Metallen und Legierungen wie dem Wolfram, dem Gußeisen, der Legierung aus Nickel und Alumiuium insbesondere.
Die Kerne können z.B. aus Titan, aus Niob oder aus Tantal bestehen, wenn hohe Temperaturen erreicht werden sollen.
Man kann ebenfalls reines Hartglas verwenden, oder mit Boroxid angereichertes Silicium. Ein solcher Körper wird verkauft von Corning Corp. unter der Markenbezeichnung VYCOR. Weitere Materialien, wie etwa Materialien mit tiefem Schmelzpunkt und Gläser können verwendet werden, wenn das Pressen bei tieferen Temperaturen erfolgt.
Der Hohlraum kann diverse Formen aufweisen. Es kann sich um einen zylindrischen Hohraum handeln oder einen konisch zulaufenden, wenn Ausformen erfoderlich ist. Man kann jedoch Hohlräume fast ohne Verbindung nach außen vorsehen, selbst dann, wenn man anschließend das Material des Kerns entfernen muß, das dann mittels chemischen Angriffs beseitigt wird.
Das Material des zu verdichtenden Teils ist häufig Pulver, kann aber ebenso ein kaltvorverdichteter oder vorgesinterter Körper sein.
Die folgenden Figuren stellen, nicht einschränkend, einige Anwendungsbeispiele der Erfindung dar:
- die Figuren 1A und 1B zeigen ein erstes Beispiel;
- die Figur 2 ist ein Diagramm, das den bei diesem ersten Beispiel angewandten Temperatur- und Druckzyklus zeigt; und
- die Figuren 3A bis 3D stellen ein zweites Beispiel dar.
In den Figuren 1A und 1B wurden jeweils die Form einer Hülle aus Titan und ihres Inhalts vor und nach dem Pressen dargestellt. Im Anfangszustand der Figur 1A hat die Hülle 1 die Form eines Zylinders mit 104 mm Höhe und 39,6 mm Durchmesser. Sie enthält einen Kern 2 aus Titan, zusammengesetzt aus einer auf dem Boden der Hülle 1 stehenden zylindrischen Basis 3 mit 39,6 mm Durchmesser und 9 mm Höhe, überragt von einem Kegelstumpf 4 mit 35 mm Höhe, der sich nach oben progressiv verjüngt und dabei von 22 auf 20 mm Durchmesser übergeht. Das Innere der Hülle 1 wird, dem Boden entgegengesetzt, ebenfalls eingenommen von einer Graphitbeilage 5 mit 39,6 mm Durchmesser und 20 mm Höhe. Der Rest der Hülle ist aufgefüllt mit Pulver aus Tantalkarbid TaC, dazu bestimmt, das Hohlraumteil zu formen. Die Innenfläche der Hülle 1 und die Oberfläche des Kerns 2 sind verkleidet mit einem folienförmigen Trennmittelprodukt 9.
Nach einem Zyklus, wie dargestellt in Figur 2, wo als Funktion der Zeit in Stunden die Kurven T und P der Temperatur und des Drucks aufgezeichnet sind, mit einem gemeinsamen Maßstab für Bar und Grad Celsius, hat man die in Figur 1B dargestellte Form erhalten: die Hülle hat sich verformt und ist vor allem radial um das herzustellende Teil herum geschrumpft (sie wird von nun an mit 1' bezeichnet) und der Kern (2') hat ebenfalls eine andere Form angenommen: es verbleibt ein Konus 4' mit einem kleineren Volumen als der ursprüngliche Konus 4, wobei dessen Material sich insgesamt in Richtung des Unterteils verschoben hat, was unterhalb der Basis 3 als halbkugelförmige Ausbauchung 6 mit einer Höhe von 13 mm erscheint. Der Konus 4' hat eine Höhe von ungefähr 25 mm und einen zwischen 18 und 16,7 mm variierenden Durchmesser.
Einen Tiegel kann man erhalten durch ein Abtrennen etwas oberhalb der Basis 3, entsprechend der Linie 7, durch ein Ausformen des Konus 4', durch ein Ausformen der Hülle 1, nachdem man sie aufgeschlitzt hat und die Beilage 5 entfernt hat, und durch eine Bearbeitung des an die Beilage 5 angrenzenden Teils des Stücks auf der Drehbank, das eine ringförmige Verdickung aufweist, wie angezeigt durch die Linien 8.
Beilagen wie die Beilage 5 werden auf diesem technischen Gebiet oft verwendet, sind aber nicht immer nützlich, und ihr Nichtvorhandensein ist folglich sehr gut vereinbar mit einer korrekten Ausführung der Erfindung.
Man kann feststellen, daß die Erfindung zwei günstige Phänomene zuläßt: ein verformbarer Kern garantiert, daß der Druck gleich ist an allen Punkten im Inneren der Hülle, was eine gleichmäßigere Verdichtung des Teils ermöglicht, was nicht zutrifft, wenn man einen nichtverformbaren Kern verwendet, an dem der Druck größer ist als an der Hülle. Sodann begrenzt die Ausbauchung des Kerns nach unten die Quetschung der Hülle an der Verbindungsstelle der Basis und der zylindrischen Wand und folglich die Bruchgefahr unterhalb der Basis 3.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist dargestellt in den Figuren 3A bis 3D. Die Hülle 10 ist hier wesentlich dicker und aus einem Stück mit dem zylindrischen Kern 11. Ihre Außenform ist wieder zylindrisch. Das Ganze ist aus Titan und das Innere ist gefüllt mit vorgepreßtem Tantalkarbid. Anstatt einer dicken Hülle kann man eine dünne Hülle nehmen mit einer Innenschicht aus vorgesintertem Titan.
Aus Genauigkeitsgründen wurde die Naht 12 dargestellt, entstanden durch eine hermetische Quetschung des Füllhalses der Hülle 10.
Der Anfangszustand des Systems ist dargestellt in Figur 3A. Die Figur 3B ihrerseits stellt den Endzustand nach dem isostatischen Warmpressen dar, und man stellt, wie bei dem vorhergehenden Beispiel, eine Ausbauchung 13 am Boden der Hülle 10 fest, entstanden durch die partielle Extrusion des Kerns 11, um einen kleineren zylindrischen Kern 11' zu bilden. Die Hülle, nun mit 10' bezeichnet, ist um das Tantalkarbid herum radial geschrumpft, bewahrt aber in diesem Bereich eine im wesentlichen zylindrische Form.
Die Figur 3C zeigt, daß man durch Plandrehen der beiden Endseiten des Ganzen einen Kompositzylinder 14 erhalten kann, insbesondere durch Entfernen der Naht 12 und der Ausbauchung 13, so daß nur noch eine Titanumhüllung von im wesentlichen gleichmäßiger Dicke um das Tantalkarbid herum vorhanden ist. Schließlich zeigt die Figur 3D, wie man einen Komposittiegel 15 erhalten kann, indem man das Plandrehen der Unterseite des Kompositzylinders 14 fortsetzt bis zum Erreichen des Tantalkarbids, und dann, indem man den Kern 11' durch eine geeignete mechanische oder chemische Bearbeitung beseitigt. Das Tantalkarbid ist nur auf seinen Außenflächen von einer Titanschicht umgeben.
Schließlich ist noch anzumerken, daß das Verfahren auch angewandt werden kann bei verformbaren Materialien, für die prinzipiell die Verfahren der vorhergehenden Technik in Betracht gezogen werden können. Eine solche Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vor allem nützlich, wenn die Spannungen, denen die verformbaren Materialien durch diese vorhergehenden Verfahren ausgesetzt wären, sich nahe der Festigkeitsgrenze bewegen.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Teilen mit einem Hohlraum durch Pressen von zu verdichtendem Material, das vorher eingefüllt wurde in eine geschlossene Hülse (1), enthaltend einen Kern (2), dazu bestimmt, den Hohlraum abzugrenzen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (2) vor dem Pressen ein größeres Volumen aufweist als der Hohlraum vor dem Pressen und eine partielle Extrudierung erfährt aus dem Hohlraum während des Pressens.

2. Verfahren zum Herstellen von Teilen mit einem Hohlraum durch Pressen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (10) und der Kern (11) in einem Stück sind.

3. Verfahren zum Herstellen von Teilen mit einem Hohlraum durch Pressen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das wenigstens bestimmte der Grenzflächen zwischen dem Teil, der Hülse und dem Kern bedeckt sind von einer Trennmittelbeschichtung (9).