DE69116546T2

DE69116546T2 - Herstellung eines glaszerfaserrotors

Info

Publication number: DE69116546T2
Application number: DE69116546T
Authority: DE
Inventors: Mott Blake; Jay Hinze; Richard Lawson
Original assignee: Owens Corning Fiberglas Corp
Current assignee: Owens Corning
Priority date: 1990-11-23
Filing date: 1991-11-20
Publication date: 1996-07-11
Anticipated expiration: 2011-11-21
Also published as: KR920703460A; DE69116546D1; US5085679A; EP0512108B1; CA2072078A1; JPH05505348A; JP2654441B2; WO1992009535A1; KR100208502B1; ES2083729T3; EP0512108A1

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich auf die Herstellung eines Glasspinners oder -spinnkopfes. Genauer bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Herstellung von Glasspinnern oder -spinnköpfen, die durch Warmbearbeitung aus oxiddispersionsgehärteten Metallen geformt werden.

Stand der Technik

Bei bestimmten industriellen Anwendungen besteht Bedarf für die Verwendung von Legierungen mit hoher Reißfestigkeit und hohem Oxidationswiderstand bei hohen Temperaturen. Unter diesen Anwendungen beachtenswert sind solche in der Glasfaserindustrie, bei denen Glasfaserfäden aus einem geschmolzenen Material hergestellt werden durch den Durchfluß durch die Öffnungen oder Löcher aufweisenden Wände eines ringförmigen Teils, welches für hohe Rotationsgeschwindigkeiten ausgebildet ist. Diese Einrichtung wird allgemein als Spinner oder Spinnkopf bezeichnet. Die Fäden werden verjüngt und durch die Öffnungen der Wand des rotierenden Spinners aufgrund der hohen Zentrifugalwirkung ausgestoßen. Solche Spinner werden bei erhöhten Temperaturen wegen der hohen Rotationsgeschwindigkeiten unter hoher Belastung betrieben. Dernentsprechend besteht Bedarf für diese Spinner, aus einer Legierung geformt zu werden mit bei erhöhten Temperaturen hoher Festigkeit. Die gegenwärtig verfügbare Spinnertechnologie verwendet für die Spinner auf Nickel oder Kobalt basierende Legierungen, und die Spinner werden in einem Gießvorgang geformt. Diese Legierungen funktionieren gut, aber es besteht immer noch Bedarf in der Technik für Legierungen mit noch größerer Hochtemperaturfestigkeit.
Das US-Patent Nr. 4,402,767 offenbart die Verwendung von oxiddispersionsgehärteten Metallen bei der Herstellung von Glasfasern. Diese Legierungen sind eine Dispersion von kleinen Hartoxidteilchen, sogenannten Dispersoiden, in einer Metallmatrix. Dieses Patent offenbart die Warmverformung eines Spinners aus einem vorgeformten Blech aus einem oxiddispersionsgehärteten Metall. Dieses Patent lehrt außerdem wichtige thermomechanische Verfahren zur Schaffung einer günstigen kornstruktur. Nichtsdestotrotz besteht aber immer noch Bedarf in der Technik für das Schaffen eines Verfahrens für das Formen eines Spinners aus oxiddispersionsgehärtetem Metall, wobei das Verfahren das getrennte Formen aus einem Blech oder einer Platte aus oxiddispersionsgehärtetem Metall unnötig macht. Außerdem ist bei der Herstellung des Spinners im Warmformverfahren die beträchtliche Menge von Metallausschuß problematisch.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, den oben genannten Bedarf in der Technik zu decken und das Metallausschußproblem zu lösen, indem ein Verfahren geschaffen wird zum Formen eines hochfesten Spinners, der aus oxiddispersionsgehärtetem Metall hergestellt wird.
Ein besonders bedeutender Vorteil des Verfahrens dieser Erfindung ist der, daß ein die endgültige Form aufweisender Spinner mit sehr wenig Ausschuß hergestellt wird.

Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Ansprüchen 2-7 gezeigt.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein Warmbearbeitungsverfahren zum Formen eines Spinners geschaffen. Das heißt, daß eine Technik beschrieben wird zur Verarbeitung von oxiddispersionsgehärteten Metallen unterhalb ihres unteren Schmelzpunkts, um einen Ring oder ein ringförmiges Teil zu formen, das nach innen konkav ist und welches leicht als Spinner zur Verwendung beim Formen von faserförmigem Glas ausgebildet werden kann. Das Verfahren umfaßt: Ringwalzen eines hohlen Zylinders aus einer oxiddispersionsgehärteten Legierung für ein Verringern der Wanddicke des genannten Zylinders und ein Vergrößern sowohl des inneren als auch des äußeren Durchmessers; Überführen des ringgewalzten Zylinders mit derartig verringerter Wanddicke in ein Ringteil, das einen in axialer Richtung geradlinigen zentralen Ringbereich sowie davon abgehende, nach innen sich erstreckende obere und untere Flanschbereiche aufweist; besagtes Walzen und Überführen werden unterhalb der Rekristallisationstemperatur der genannten Legierung ausgeführt; Wärmebehandeln des genannten Ringteils; das Ringwalzen und Überführen wird so ausgeführt, daß die Wanddicke des zentralen Ringbereichs im Vergleich zur ursprünglichen Wanddicke des genannten Hohlzylinders um einen Betrag verringert wird, der ausreicht für die genannte Wärmebehandlung, um die Rekristallisation der genannten Legierung in eine grobe Kornstruktur zu bewirken.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für die Herstellung eines ringförmigen Teils geschaffen, das für die Herstellung bei der Glasproduktion verwendet werden kann, und welches umfaßt: Ringwalzen eines dickwandigen hohlen Zylinders aus einer oxiddispersionsgehärteten Legierung in einen Ring mit verringerter Wandstärke, wobei die Wand des genannten Rings mit verringerter Wandstärke im Querschnitt rechteckig ist; Einpressen des genannten Rings mit verringerter Wandstärke in einen Ring, dessen Wand im Querschnitt C-förmig ist; Ringwalzen des genannten Rings, dessen Wand im Querschnitt C-förmig ist, in einen Ring, der einen profilierten Querschnitt hat, wobei der profilierte Querschnitt einen in axialer Richtung geradlinigen, ringförmigen zentralen Bereich und sich von dem genannten zentralen Bereich nach innen erstreckende obere und untere Flansche umfaßt; Glühen des genannten Rings, der den genannten profilierten Querschnitt hat, bei einer Temperatur über einen Zeitraum, der ausreicht, die Legierung in eine gröbere Kornstruktur zu rekristallisieren. Im allgemeinen wird die Grobkorngröße Körner größer als 1 mm umfassen, während die Korngröße kleiner als ungefähr 0.001 mm im nicht rekristallisierten Zustand ist. Die Geometrie der geformten Konstellationen und das Ausmaß der Warmbearbeitung werden so gewählt, daß die Verringerung der Wandstärke aus dem dickwandigen Zylinder in den Ring, der den profilierten Querschnitt hat, wirksam ist für die Rekristallisierung in die Grobkornstruktur während des Glühens. Genauer gesagt, wenn die ursprüngliche Wanddicke des dickwandigen Zylinders als t&sub1; betrachtet wird und die endgültige Wanddicke des in axialer Richtung geradlinig verlaufenden ringförmigen zentralen Bereichs tf ist, dann ist [(ti - tf)/ti]*100 vorzugsweise wenigstens 75% und höchst wünschenswert wenigstens ungefähr 82 oder 83%, insbesondere wenn Platin oder Platin-basierende Legierungen verwendet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Zeichnungen stellen allgemein schematisch verschiedene Stufen eines Verfahrens dar, das gemäß einer Technik der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird.
In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 schematisch verschiedene Übergangsformen des oxiddispersionsgehärteten Metalls während der ersten Verfahrensstufen;
Figur 2 schematisch einen Ringwalzvorgang, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Figur 3 ein endgültiges ringförmiges Teil, das in Übereinstimmung mit dieser Erfindung geformt ist, teilweise im Querschnitt;
Figur 4 schematisch einen anderen Schritt im Verfahren der vorliegenden Erfindung;
Figuren 5A und 5B einen bevorzugten Schritt in der vorliegenden Erfindung, bei dem ein ringförmiges Teil in der Gestalt eines hohlen geraden Kreiszylinders erst geformt und dann überführt wird in ein ringförmiges Teil, das im Querschnitt eine gebogene, nach innen konkave Form aufweist;
Figur 6 schematisch eine Seitenansicht eines abschließenden Ringwalzvorgangs;
und
Figur 7 einen Schnitt entlang der Linie 7-7 aus Figur 6 zur Darstellung des Walzvorgangs zum Formen des endgültigen Ringteils, das in Figur 3 dargestellt ist.

Beste Art zur Ausführung der Erfindung

Die oxiddispersionsgehärteten Metalle, die für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung in Frage kommen, sind in der Technik gut bekannt. Diese Zusammensetzungen umfassen ein Oxiddispersoid, das in einer Metallmatrix verteilt ist. Die Metallmatrix kann eine einer Vielzahl von Zusammensetzungen sein, die auf Nickel, Kobalt, Chrom, Platin, Rhodium und Eisen basierende Materialien umfassen. Bevorzugte Matrizes sind auf Nickel/Chrom sowie auf Nickel/Chrom/Kobalt basierende Legierungen. Das bevorzugte Dispersoid ist Yttrium. Beispielhafte Zusammensetzungen und Techniken zum Formen solcher oxiddispersionsgehärteten Legierungspulver werden in den US-Patenten Nrn. 3,591,362 und 3,738,817 ausgeführt. Die vorhergehenden Patente veranschaulichen ein Verfahren, genannt mechanisches Legieren, zum Formen von oxiddispersionsgehärteten Legierungen. Weitere zweckmäßige oxiddispersionsgehärtete Metalle werden ersichtlich aus US-Patent Nr. 4,402,767, US-Patent Nr. 3,814,635 und US-Patent Nr. 4,877,435.
Pulver wird zuerst durch Strangpressen in eine zylindrische Stange geformt. Der Zylinder wird abgeflacht und danach durchbohrt, um einen ringförmigen Körper mit vorläufiger Gestalt zu formen. Der Durchmesser dieses ringförmigen Körpers wird dann progressiv vergrößert und die Dicke verringert, um einen Körper eines bestimmten Durchmessers zu formen, zum Beispiel von wenigstens 304.80 mm (12 inch) und üblicherweise größer als ungefähr 762 mm (30 inch) (Innendurchmesser). Ringwalzen wird angewendet, um eine endgültige ringförmige Form herzustellen, die nach innen konkav ist und einen geradlinigen zentralen Bereich mit oberen bzw. unteren Flanschen umfaßt, die sich nach oben und innen (oberer Flansch) und nach unten und innen (unterer Flansch) von dem zentralen Bereich erstrecken. Der zentrale Bereich kann dann durch Anwendung konventioneller Bohrverfahren überführt werden in eine Öffnungen oder Löcher aufweisende Spinnerwand zur Verwendung beim Spinnen von Glasfasern. Solche Bohrverfahren umfassen Laserbohren, Bohren mit Elektronenstrahl, elektrische Strahlbearbeitung und Spiralbohren. Der Warmbehandlungsvorgang, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wird natürlich unterhalb des unteren Schmelzpunkts und der Rekristallisationstemperatur und oberhalb der minimalen Warmbehandlungstemperatur der Legierungen ausgeführt. Nach der Fertigstellung wird der endgültige Gegenstand einer Wärmebehandlung oberhalb der Rekristallisationstemperatur unterzogen, zum Formen einer geeigneten Grobkornstruktur. Die üblicherweise hergestellte Grobkornstruktur entspricht im allgemeinen der Pfannkuchenstruktur mit einer hohen Kornverteilungsrate, zum Beispiel größer als wenigstens ungefähr 3:1. Repräsentative Warmverformungstemperaturen und Wärmebehandlungstemperaturen werden in den US-Patenten Nr. 4,402,767 und Nr. 4,877,435 ausgeführt.
Kurz gesagt und wie schon aus der vorhergehenden Darstellung ersichtlich, betrachtet die vorliegende Erfindung das Formen eines profilierten Ringteils durch einen Ringwalzvorgang, bei dem radial und nach außen gerichtete Kräfte auf die innere Oberfläche eines Ringteils gerichtet werden, um nicht nur seinen Durchmesser zu vergrößern, sondern auch die Dicke des Teils zu verringern. So wird das Ringteil im allgemeinen gehalten zwischen einem äußeren Formwerkzeug und einer entlang des Umfangs drehenden Formwalze, die entlang der inneren Umfangsoberfläche des Ringteils bewegt wird. Auf diese Weise wird eine innere Oberfläche geformt, welche in axialer Richtung geradlinig ist. Das heißt, daß die innere Oberfläche des Ringteils in axialer Richtung zum Beispiel keine Nuten oder Laufbahnen hat wie in konventionell geformten Oberflächen in Wälziagerteilen. Anders ausgedrückt hat die innere Oberfläche des zentralen Bereichs des in Übereinstimmung mit dieser Erfindung geformten Teils eine im wesentlichen flache oder geradlinige Gestalt im Gegensatz zu einem kurvenförmigen zentralen Bereich. Die äußere Oberfläche des zentralen Bereichs des Ringteils, das nach dieser Erfindung hergestellt wird, ist in gleicher Weise in axialer Richtung geradlinig.
Im ersten Schritt werden die Oxiddispersionsmetallpulver in geeigneter Weise in eine Stange zylindrischer Gestalt geformt, die dann zusammengepreßt wird, um ihren Durchmesser zu vergrößern und ihre Höhe zu verkleinern. Zwei besonders geeignete dispersionsgehärtete Metalle sind mit Yttrium versetzte Nickel/Chrom-Legierungen mit und Yttrium versetzte Nickel/Chrom/Kobalt-Legierungen. Repräsentative geeignete Legierungen der letztgenannten Art werden erwähnt in US-Patent Nr. 4,877,435, und eine bevorzugte Legierung der früheren Art wird anhand eines folgenden Beispiels beschrieben. Dieser Zylinder wird dann wiederum in ein nahtloses ringförmiges Teil geformt. Figur 1 stellt schematisch diese verschiedenen Schritte dar. Der ursprüngliche feste Zylinder 2 des Materials wird durch einen konventionellen Strangpreßvorgang geformt, bei dem die Pulver in einen Topf gegeben werden, und bei dem der Topf vakuumevakuiert wird, um das Pulver zu reinigen, und bei dem dann der Topf abgedichtet wird. Das Pulver wird dann bei hohen Temperaturen in ein Werkzeug zur Bildung eines festen Zylinders 2 gepreßt, so daß zum Beispiel bei ungefähr 1093 ºC (2000 ºF). Diese stranggepreßte, im wesentlichen gerade kreiszylindrische Stange 2 wird dann unter Verwendung konventioneller Schmiedeverfahren in einen Zylinder 4 umgeformt. Ein ursprüngliches oder vorläufiges Ringteil 6 in der Gestalt eines hohlen, im wesentlichen geraden Kreiszylinders wird dann aus Zylinder 4 durch einen konventionellen Metallbohrvorgang gebildet. Wenn das oxiddispersionsgehärtete Metall einer ungeeigneten Verformung unterworfen wird, wird sich zwangsweise eine schlechte und nicht akzeptable Kornstruktur ergeben. Dementsprechend und im folgenden zahlenmäßig ausgeführt sind die relative Dicke des vorläufigen Ringteils 6 und die endgültige Ringstruktur wichtig. Der vorläufige Ring sollte eine geeignete Wanddicke haben, um sicherzustellen, daß eine maximale Verringerung der Dicke während des Verfahrens erreicht wird und so zu unterstützen, daß bei der gewünschten Rekristallisierung eine gröbere Kornstruktur auftritt im Gegensatz zu einer ungewünschten feinen Kornstruktur. Mit anderen Worten sollte das ringförmige Teil 6 ein dickwandiger Hohlzylinder sein, zum Beispiel ein Zylinder mit einer Dicke von wenigstens 1 inch.
Es sollte außerdem beachtet werden, daß die Verfahrenstemperatur wichtig ist. Wenn das verwendete oxiddispersionsgehärtete Metall zu kalt ist, besteht erhebliche Rißgefahr. Wenn die Temperatur zu heiß ist, besteht das Risiko einer wesentlichen Festigkeitsabnahme des endgültigen Gegenstands. Konsequenterweise ist während des Verfahrens ein periodisches Wiederaufheizen notwendig, um diese Temperatur zu halten. Bei den meisten der folgenden Vorgänge ist es wünschenswert, mehrere Durchgänge zu verwenden, die normalerweise unterbrochen werden von erneutem Erhitzen, um eine allmähliche Vergrößerung des Durchmessers zu bewirken, anstatt dieses während eines einzigen Durchgangs oder Vorgangs zu bewirken.
Der nächste Schritt im Verfahren ist ein Ringwalzschritt. Bei diesem Schritt wird das vorläufige ringförmige Teil 6 so verarbeitet, daß sein Durchmesser (ID und AD) vergrößert und seine Dicke verringert wird. Dieser Vorgang wird generell schematisch dargestellt in Figur 2 und wird bewirkt durch Rotieren des Rings 6 unter Verwendung einer Antriebswalze 8, und während eine Formwalze oder ein Dorn 10 entlang des inneren Umfangs des Rings 6 bewegt werden, während gleichzeitig die Walze 10 um ihre eigene Achse rotiert. Falls erwünscht, können Axialwalzen 12 auf der Ober- und Unterfläche des Rings 6 verwendet werden. In Figur 2 hat die drehende Walze 10 eine glatte gleichförmige zylindrische oder kreisförmige Oberfläche entsprechend Walze 8. Auf diese Weise werden sowohl die innere als auch die äußere Oberfläche des Rings 6 in einem axial geradlinigen Zustand erhalten, ohne eine Nut entlang des inneren Umfangs zu formen.
Der Ringwalzvorgang wird periodisch unterbrochen und der Ring 6 in ein Formgerät eingebracht. Die Wirkung des Formgeräts besteht darin, das Ringteil in rundem Zustand zu erhalten. Dies wird schematisch dargestellt in Figur 4, wo sich die segmentierten Werkzeuge 14 periodisch radial nach innen bewegen, um den Ring 6 wieder in eine gleichförmig runde äußere Oberfläche 5 zu bringen.
Das Ringwalzen aus Figur 2 ist ein Vorgang, bei dem der Ring 6 um eine horizontale Achse dreht. Nachdem der Ring einen großen Durchmesser erreicht, zum Beispiel einen I.D. (Innendurchmesser) von ungefähr 558.8 bis 584.2 mm (22 bis 23 inch), ist es wünschenswert, daß ein Ringwalzen durchgeführt wird, das im wesentlichen identisch ist zu dem nach Figur 2, mit der Ausnahme, daß dies erfolgt, indem der Ring 6 auf einem Tisch um seine vertikale Achse dreht. Während dieses weiteren Ringwalzens wird ein vertikal oszillierender Fallhammer oder Amboß periodisch verwendet, um den Ring in einer gewünschten Höhe zu erhalten. Das vertikale Ringwalzen wird dann für eine zur Bildung eines Rings mit einem gewünschten Innendurchmesser ausreichende Zeit durchgeführt. Dieses Ringteil wird dann einem weiteren (nicht gezeigten) Formvorgang unterworfen, der ungefähr das Gegenstück zu dem in Figur 4 dargestellten Formgerät darstellt. Bei diesem Vorgang wird eine konventionelles Formgerät verwendet zum Erweitern des Durchmessers eines ringförmigen Teils. Das heißt, daß das verwendete Formgerät eine Reihe von segmentierten, im allgemeinen kuchenförmigen Stücken hat, die periodisch in radialer Richtung nach außen gegen die innere Oberfläche des ringförmigen Teils ausgestreckt werden, derart, daß sie dessen Durchmesser vergrößern und die Rundform erhalten.
Nach diesen Vorgängen erhält man ein im wesentlichen hohles, gerades Kreiszylinderteil oder ein Hülsenteil 6A mit verringerter Dicke und vergrößertem ID, das in Figur 5 dargestellt ist. Der nächste Schritt ist, die Hülse 6A in ein ringförmiges Teil mit einer C-förmigen Wand zu formen. Figuren 5A und 5B stehen für die Verwendung von Werkzeugen, die als Ringwerkzeug oder ringförmige Kompressionswerkzeuge angesehen werden können, um durch einen Preßvorgang den im wesentlichen hohlen, geraden kreiszylindrischen Ring 6A in ein C-förmiges ringförmiges Teil 6B zu überführen, wie dies in Figur 5B dargestellt ist. Dies ist ein konventioneller Vorgang, bei dem ein oberes ringförmiges Gesenk 16 und ein unteres ringförmiges Gesenk 18 den Ring 6A unter Druck zusammenpressen, um den nach innen konkaven, etwa C-förmigen Ring 6B zu formen.
Im nächsten Schritt wird das C-förmige Ringteil 6B dann in ein endgültiges profiliertes nahtloses Bauteil 6C überführt, wie dies im allgemeinen dargestellt in Figuren 6 und 7 ist. In der endgültigen profilierten Struktur umfaßt das Ringteil 6C einen in axialer Richtung geradlinigen zentralen Bereich 9 (Figur 3) und einen sich nach oben und innen erstreckenden Flanschbereich 11, der sich von einem Ende des zentralen Bereichs 9 erstreckt und einen nach unten und innen sich erstrekkenden Flanschbereich 13, der sich von dem anderen Ende erstreckt. Mit Bezug auf die Figuren 6 und 7 ist bemerkenswert, daß das ursprüngliche ringförmige Teil 6B in die endgültige profilierte Struktur 6C überführt wird unter Verwendung einer Walze 20, die um ihre eigene vertikale Achse rotiert, während sie gleichzeitig im Inneren des Ringteils 6C dreht. Das Ringteil 6 wird gehalten zwischen einem unteren drehbaren Werkzeugteil 22 und einem oberen drehbaren Werkzeugteil 24. Die Werkzeugteile 22 und 24 werden in Drehrichtung angetrieben durch eine Antriebswalze 26. Auf diese Weise wird das oxiddispersionsgehärtete Ringteil 6B in die Gestalt des Rings 6C überführt, während die Walze 20 rotiert, indem das Ringteil progressiv nach außen gezogen wird zwischen der äußeren Formoberfläche 28 der Walze 20 und der inneren Formoberfläche der Werkzeuge 22 und 24. Wandstärken zwischen 7.62 bis ungefähr 20.32 mm (0.3 bis ungefähr 0.8 inch) sind typisch.
Der nächste Schritt ist die Wärmebehandlung des Rings 6C, um eine Rekristallisation zu bewirken. Geeignet sind Wärmebehandlungen zwischen ungefähr 1288 ºC bis 1399 ºC (ungefähr 2350 ºF bis 2550 ºF), aber unterhalb des unteren Schmelzpunkts, für eine Dauer von ungefähr einer halben bis ungefähr drei Stunden. Dies führt zu einer Grobkornstruktur.
Im letzten Schritt wird der profilierte Ring 6C bearbeitet unter Verwendung von konventionellen Bearbeitungsvorgängen, und eine Vielzahl von (nicht dargestellten) Öffnungen wird dann in den zentralen Bereich 9 des ringförmigen Teils gebohrt, um eine durchlöcherte Wand zu bilden. Das Bohren kann unter Verwendung von konventioneller Technologie erfolgen, die bei der Herstellung von glasfaser-formenden Spinnern verwendet wird. Der Spinner wird dann auf konventionelle Weise genutzt, um Glasfasern zu formen.
Wie vorher angedeutet, kann sich bei nicht geeigneter Verformung des oxiddispersionsgehärteten Metalls eine schwache Kornstruktur ergeben. Dementsprechend ist eine maximale Dickenverringerung des Rings wichtig, um während des Glühens eine gewünschte Rekristallisation hin zu gröberen anstelle von feineren Körnern zu erreichen. Wenn die Dicke des ursprünglichen vorläufigen Ringteils 6 in Figur 1 als ti betrachtet wird, und die Dicke des zentralen Bereichs 9 des Ringteils 6C als tf, dann wird die gewünschte wichtige Verformung erreicht bei einem Verformungsfaktor von wenigstens 75% und vorzugsweise von wenigstens ungefähr 83%. Der Verformungsfaktor wird berechnet als [(ti - tf)/tf]*100.
Ungleich dem Formen eines Spinners, bei dem mit einem vorgeformten Blech oder einem Plattenteil begonnen wird und das dann ein tellerförmiges Teil formt, formt der vorliegende Ringwalzvorgang einen Gegenstand, der viel enger an seiner endgültigen Form ist. Folglich gibt es einen sehr viel geringeren Abfall von Metall im Vergleich zu erstem Formverfahren. Im Vergleich zur Rollenverformung, bei der ein Materialstück gebogen und dann geschweißt wird, um einen Zylinder zu bilden, liefert die vorliegende Ringwalzerfindung einen nahtlosen Gegenstand. Dies ist natürlich sehr nützlich, da nicht eine schwache Naht gebildet wird.
Während die obige Beschreibung der vorliegenden Erfindung detailliert genug ist, um den einschlägigen Fachleuten zu ermöglichen, selbige zu bauen und zu verwenden, wird nichtsdestotrotz im folgenden die vorliegende Erfindung genauer anhand eines Beispiels dargestellt.

Beispiel

Im folgenden wurden alle Verarbeitungsschritte im allgemeinen durchgeführt bei ungefähr 982 ºC bis ungefähr 1010 ºC (1800 ºF bis ungefähr 1850 ºF). Das verwendete oxid dispersionsgehärtete Metall war eine Yttrium-verstärkte Nickel/Chrom-Legierung, bei der das Gewichtsverhältnis von Nickel gegenüber Chrom ungefähr 70:30 betrug und der Anteil von Yttrium ungefähr 0.6%. Die Legierung enthielt außerdem einige hundertstel Prozent Kohlenstoff, einige zehntel Prozent Titan und Aluminium und ungefähr 1% Eisen. Eine solche geeignete Legierung ist von Inco Alloys International unter der Bezeichnung MA-758 erhältlich. Der Schmelzpunkt dieses Materials liegt bei ungefähr 1371 ºC bis 1399 ºC (2500 ºF bis 2550 ºF).
Zylinder 2 wurde durch ein konventionelles Strangpreßverfahren bei ungefähr 1066 ºC bis 1093 ºC (1950 ºF bis 2000 ºF) geformt mit einem Durchmesser im Bereich von ungefähr 165.1 mm (6.5 inch), mit einer Höhe von ungefähr 304.8 mm (12 inch). Der Extrusionstopf blieb nach dem Extrusionsvorgang in seiner Lage. Während des Strangpressens wurde eine Kolbengeschwindigkeit von zwischen 101.6 mm/sec bis 228.6 mm/sec (4 inch/sec bis 9 inch/sec) verwendet, um ein Extrusionsverhältnis von mindestens 4:1 zu erreichen. Zusätzlich sollte der Preßling oder der Zylinder 2 ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von weniger als ungefähr 2.7:1 haben, um in späteren Verfahrensschritten ein Knicken zu vermeiden. Unter Verwendung von konventionellen Schmiedetechniken wurde dann der Zylinder 4 mit einer Höhe von ungefähr 177.8 mm (7 inch) und einem Durchmesser im Bereich von ungefähr 203.2 mm (8 inch) geformt. Unter Verwendung eines konventionellen Metallbohrvorgangs wurde der Zylinder 4 dann in einen dickwandigen Hohlzylinder aus oxiddispersionsgehärteter Legierung überführt, wobei der Hohlzylinder eine Höhe von ungefähr 177.8 mm (7 inch) und eine Wandstärke von 65.53 mm (2.58 inch) hatte. Eine Stahlhülse wurde dann in das Innere des Zylinders eingesetzt. Der äußere Durchmesser des Hohlzylinders 6 betrug vor dem Ringwalzvorgang ungefähr 213.36 mm (8.4 inch), und der innere Durchmesser betrug ungefähr 82.55 mm (3.25 inch). Die Höhe wurde bei ungefähr 177.8 mm (7 inch) gehalten.
Als nächstes wurde der Hohlzylinder 6 in einen Ring ringgewalzt, dessen Wandquerschnitt im wesentlichen rechteckig war und der einen inneren Durchmesser von ungefähr 304.8 mm (12 inch) hatte, als die innere Hülse entfernt wurde, und das Ringwalzen lieferte weiterhin einen Ring mit einem inneren Durchmesser von ungefähr 558.8 mm (22 inch). Während dieses Ringwalzvorgangs wurde der Zylinder 6 ungefähr 14mal wieder erwärmt, was die Art der allmählichen Steigerung von Durchmesser und Verringerung der Wandstärke des Hohlzylinders zeigt. Bei diesem Ringwalzvorgang rotierte die Walze um eine horizontale Achse und das Ringteil entsprechend um eine horizontale Achse. Weiteres Ringwalzen erfolgte mit Drehung des Rings und eines Dorns (20) um ihre jeweiligen vertikalen Achsen. Dieses vertikale Ringwalzen wurde in verschiedenen Stufen angewendet, um den inneren Durchmesser des Rings auf ungefähr 838.2 mm (33 inch) zu vergrößern. Die Höhe des Rings wurde bei ungefähr 177.8 mm (7 inch) gehalten. Die äußere Schutzhülse wurde entfernt. Ein Formwerkzeug wurde dann verwendet, um den inneren Durchmesser des Rings auf ungefähr 889 mm (35 inch) zu vergrößern. Die Höhe wurde bei ungefähr 177.8 mm (7 inch) gehalten. Dieser Ring war im wesentlichen ein hohler, gerader Kreiszylinder, wobei die Wand einen rechteckigen Querschnitt hatte, das heißt in axialer Richtung geradlinig war.
Der Hohlzylinder wurde dann in ein ringförmiges Teil gepreßt mit einem im wesentlichen C-förmigen Querschnitt unter Verwendung der in Figuren 5A und 5B dargestellten Verfahren. Während des Pressens und der folgenden Verarbeitung wurde der Ring durch Verwendung von keramischem Schutzmaterial geschützt. Dieses C-förmige Teil hatte im wesentlichen eine Höhe von ungefähr 76.2 mm (3 inch) und einen maximalen inneren Durchmesser von ungefähr 939.8 mm (37 inch).
Das C-förmige Ringteil 6B wurde dann überführt in die endgültige Struktur 6C entsprechend der Ringwalztechnik, die in Figuren 6 und 7 dargestellt ist. In der endgültigen Struktur hatte das Ringteil 6C einen in axialer Richtung geradlinigen zentralen Bereich mit einer Höhe von ungefähr 57.15 mm (2.25 inch). Der innere Durchmesser des geradlinigen zentralen Bereichs 9 betrug ungefähr 990.6 mm (39 inch), und die Wandstärke des zentralen Bereichs 9 war im Bereich von ungefähr 10.92 mm (0.43 inch). Die Höhe des Ringteils 6C (Oberkante des oberen Flansches bis zur Unterkante des unteren Flansches) betrug ungefähr 76.2 mm (3 inch).
Der Ring 6C wurde dann für ein bis zwei Stunden zwischen ungefähr 1316 ºC bis 1343 ºC (2400 ºF bis ungefähr 2450 ºF) geglüht, um eine Rekristallisation in eine grobe Kornstruktur zu bewirken. Die Korngröße des Rings 6C war vor der Warmglühbehandlung im Bereich von ungefähr 0.001 mm, während die Korngröße in dem geradlinigen zentralen Bereich nach der Warmglühbehandlung viel gröber war und typischerweise wenigstens 1 mm betrug. Es wurde beobachtet, daß die Grobkornstruktur nicht nur in Umfangsrichtung, sondern außerdem in axialer Richtung länglich war. Daraus ist ersichtlich, daß mit der rekristallisierenden Wärmebehandlung bei Verwendung eines Verformungsfaktors von ungefähr 83% eine Grobkornstruktur erreicht wurde im Gegensatz zu einer unerwünschten Feinkornstruktur.
Der Ring 6C wird in einen konventionellen Spinner oder Spinnkopf überführt, indem einfach eine Vielzahl von Öffnungen durch den ringförmigen zentralen Bereich 9 gebohrt wird. Dies erfolgt unter Verwendung von bereits genannten konventionellen Bohrverfahren. Aus dem zentralen Bereich 9 des ringförmigen Teils 6C, das wie oben beschrieben hergestellt wurde, wurden Proben entnommen. Proben mit der oben genannten allgemeinen Kornstruktur hatten eine Reißfestigkeit von 48.3 MPa bis 55.2 MPa (1149 ºC, 100 Stunden) [7-8 KSI (2100 ºF, 100 Stunden)]. Selbst heterogene Kornstrukturen mit kleinerer Korngröße erreichten Werte von 27.6 bis 41.4 MPa (4-6 KSI). Eine an der Luft gegossene Legierung, die auf Kobalt basiert, aber die nicht oxiddispersionsgehärtet ist und die weit verbreitete kommerzielle Verwendung für viele Jahre gefunden hat, hat unter solchen Bedingungen eine 100- Stunden-Zeitfestigkeit von ungefähr 13.8 bis 20.7 MPa (2-3 KSI). Eine solche Legierung wird allgemein darge stellt im US-Patent Nr. 3,933,484.
Ringgewalzte hohle gerade Kreiszylinder aus J-Legierung (auf Platin basierende Legierung mit Rhodium), die mit Yttrium verfestigt wurden, wurden hergestellt und rekristallisierenden Wärmebehandlungen unterzogen. Heißes isostatisches Pressen wurde verwendet, um eine zylindrische Vorform zu produzieren, die dann ringgewalzt wurde, um die oben genannten Beispiele zu formen. Die Zeitstandfestigkeit des Zylinders (Wandstärke 3.53 mm / 0.139 inch), der einer Verformung von 75% unterzogen wurde, betrug 155 Stunden (1149 ºC und 20.7 MPa) (2100 ºF und 3000 psi). Ein ähnlich hergestellter Zylinder wurde nach einer Ringwalzverformung von 75% geteilt und dann einer zusätzlichen Verformung durch Flachwalzen unterzogen. Die gesamte Verformung betrug 89%, und bei einer Dicke von 1.52 mm (0.060 inch) betrug die Zeitstandfestigkeit bei den gleichen Bedingungen 302 Stunden. Ein weiterer Zylinder, der bis auf eine Verformung von 82% ringgewalzt wurde mit einer Wanddicke von 2.62 mm (0.103 inch) hatte Zeitstandwerte (1149 ºC und 20.7 MPa) (2100 ºF, 3000 psi) von 131, 141 und 171 Stunden. Die oben genannte, kommerziell genutzte Legierung hat eine Zeitstandfestigkeit von 30-60 Stunden bei 1149 ºC (2100 ºF) und 20.7 MPa (3000 psi).

Industrielle Anwendung

Die Spinner, die gemäß der vorliegenden Erfindung geformt werden, werden in konventionellen glasfaser-formenden Verfahren verwendet.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Glasfasern formenden Spinners oder Spinnkopfes, umfassend:

Ringwalzen eines dickwandigen, hohlen Zylinders aus einer oxyddispersionsgehärteten Legierung für ein Verringern der Wanddicke des genannten Zylinders und ein Vergrößern sowohl des inneren als auch des äußeren Durchmessers; Überführen des ringgewalzten Zylinders in ein Ringteil, das einen in axialer Richtung geradlinigen zentralen Ringbereich sowie davon abgehende, nach innen sich erstreckende obere und untere Flanschbereiche aufweist; Glühen des genannten Ringteils bei einer Temperatur über einen Zeitraum, der dazu ausreicht, um die Legierung in einer groben Kornstruktur zu rekristallisieren, welche sich in axialer Richtung und im Umfang in Längsrichtung in dem genannten zentralen Bereich erstreckt, wobei die Verringerung der Wandstärke aus dem dickwandigen Zylinder in das Ringteil wirksam für die genannte Rekristallisierung in das genannte grobe Korn während des Glühens ist; und, entweder vor oder nach dem Glühen, das Formen von einer Vielzahl von glasfaser-formenden Öffnungen in dem genannten zentralen Bereich.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

bei dem der Umformschritt umfaßt :

- Einpressen des genannten ringgewalzten Zylinders in einen Ring, dessen Wand im Querschnitt C-förmig ist; und Ringwalzen des genannten Rings, dessen Wand im Querschnitt C-förmig ist, in ein Ringteil, das einen profilierten Querschnitt hat, wobei der profilierte Querschnitt einen in axialer Richtung geradlinigen, ringförmigen zentralen Bereich und sich von dem genannten zentralen Bereich nach innen erstreckende obere und untere Flansche umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die ursprüngliche Wanddicke des genannten dickwandigen Zylinders ti ist und bei dem die endgültige Wanddicke des genannten, in axialer Richtung geradlinig verlaufenden ringfömigen zentralen Bereichs tf ist, und bei dem [(t&sub1; - tf)/ti] x 100 mindestens 75% ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend den anfänglichen Schritt des Strangpressens eines oxyddispersionsgehärteten Metallpulvers in eine feste zylindrische Stange; und Formen der genannten zylindrischen Stange in einen dickwandigen Hohlzylinder.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Strangpressen mit einem Extrusionsverhältnis von mindestens 4:1 erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Extrusionskolbengeschwindigkeit zwischen 101,6 mm/sec (4 Inch/sec) und 228,6 mm/sec (9 Inch/sec) beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem während des Ringwalzens die oxyddispersionsgehärtete Legierung periodisch erwärmt wird, um ihre Temperatur ausreichend hoch zu halten, um ein Reißen zu unterbinden aber nicht so hoch, um die Festigkeit wesentlich zu verringern.