DE69307081T2 - Herstellung einer schweissnahtfreien zylindrischen Hülse - Google Patents
Herstellung einer schweissnahtfreien zylindrischen HülseInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines nahtlosen Zylinderbechers, der sich für eine Fertigbearbeitung zu einer nahtlosen Gasflasche zur Aufbewahrung von ultrahochreinen Gasen unter hohem Druck eignet. Mehr im einzelnen bezieht sich die Erfindung auf ein solches Verfahren, bei welchem der Zylinderbecher mit einer inneren Nickelschicht versehen ist.
- Gasflaschen werden vielfach zur Lagerung von Gasen unter hohem Druck eingesetzt. Ultrahochreine Gase, wie sie in der Elektronikindustrie verwendet werden, stellen ein besonderes Lagerungsproblem dar, da an der Innenwand einer Gasflasche etwa vorhandene Korrosion die Reinheit des zu lagernden Gases verschlechtern kann. Diese Korrosion kann durch das ultrahochreine Gas selbst ausgelöst werden, wenn es sich um ein korrosives Ätzgas wie beispielsweise HCl handelt.
- Zur Aufnahme von ultrahochreinem Gas verwendete Gasflaschen werden besonders ausgebildet, um die Reinheit des Gases zu erhalten, indem sie vollständig aus Nickel hergestellt oder als Schichtkonstruktion mit einer Außenschicht aus Stahl und einer auf die äußere Stahlschicht aufplattierten Innenschicht aus Nickel ausgebildet wird. Es ist klar, daß nur aus Nickel hergestellte Gasflaschen teuer sind und daher unter Kostengesichtspunkten eine Schichtkonstruktion zu bevorzugen ist. Außerdem können reine Nickelflaschen nicht eingesetzt werden, wenn der vorgesehene Betriebsdruck 3,45 MPa (500 psig) übersteigt.
- Nickelplattierte Gasflaschen werden durch Kaltziehen oder Blocklochen eines Stahlrohlings zum Formen eines Zylinderbechers und anschließendes Elektroplattieren der Innenwand des Zylinderbechers hergestellt. Danach wird der Zylinderbecher durch Drücken des offenen Endes des Zylinderbechers zu einem Flaschenkopf, Anbringen eines Gewindes an dem Flaschenkopf, und Wärmebehandeln der Flasche fertigbearbeitet.
- Der Nachteil von nickelplattierten Gasflaschen liegt darin, daß die Nickelplattierung Risse, Hohlräume und Öffnungen aufweisen kann, durch welche ultrahochreine Gase verunreinigt werden können oder durch welche verunreinigende Stoffe durch Reaktion des Stahls mit dem Gas selbst gebildet werden können. Des weiteren erzeugt die Nickelplattierung eine rauhe Oberfläche, die extrem empfindlich für das Anhaften von Verunreinigungsstoffen ist.
- Aus der US-A-3,664,890 ist es bekannt, einen tiefgezogenen Gegenstand herzustellen, indem eine erste Metallkomponente mit einer charakteristischen Zipfelbildungsneigung von 45º mit Bezug auf die Walzrichtung nach dem Verarbeiten und Tiefziehen und eine zweite Metallkomponente mit einer charakteristischen Zipfelbildungsneigung von 90º mit Bezug auf die Walzrichtung nach dem Verarbeiten und Tiefziehen bereitgestellt werden, beispielsweise Kupfer- und Aluminiumlegierungen. Die Komponenten werden heiß zusammengewalzt, um ein Verbundmaterial mit integraler Bindung herzustellen. Das Verbundmaterial wird dann kaltgewalzt und geglüht, um sicherzustellen, daß die Komponenten jeweils ihre charakteristische Zipfelbildungsneigung erhalten. Schließlich wird das Verbundmaterial tiefgezogen, um den gewünschten Gegenstand herzustellen.
- In diesem US-Patent findet sich kein Hinweis auf die Herstellung eines nahtlosen Zylinderbechers mit einer Außenschicht aus Stahl und einer Innenschicht aus Nickel.
- Wie noch erörtert werden wird, löst die vorliegende Erfindung die beim Stand der Technik bei der Herstellung von zur Lagerung von ultrahochreinen Gasen bei hohem Druck geeigneten Gasflaschen auftretenden Probleme, indem die Gasflasche gemäß dem Verfahren nach der Erfindung hergestellt wird.
- Nach der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines nahtlosen Zylinderbechers mit einer Außenfläche aus Stahl und einer Innenfläche aus Nickel vorgesehen, das gekennzeichnet ist durch die Schritte des Aufplattierens eines Nickelblechs auf ein Stahlblech derart, daß diese Bleche zur Bildung eines Verbundblechs gleichförmig miteinander verbunden werden, des mechanischen und chemischen Reinigens der beiderseitigen Oberflächen des Verbundblechs zum Beseitigen von Verunreinigungen, des Vorwärmens der beiderseitigen Oberflächen zum Halten eines Schmiermittels, des nachfolgenden Überziehens der beiderseitigen Oberflächen mit dem Schmiermittel, und des Kaltziehens des Verbundblechs zu dem nahtlosen Zylinderbecher.
- Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Herstellen eines nahtlosen Zylinderbechers. Gemäß diesem Verfahren wird ein Nickelblech auf ein Stahlblech derart aufplattiert, daß das Nickelblech und das Stahlblech ganzflächig gleichförmig aneinander gebunden werden und dadurch ein Verbundblech mit zwei entgegengesetzten Oberflächen gebildet wird. Diese beiderseitigen Oberflächen des Verbundblechs werden dann mechanisch und chemisch so gereinigt, daß Verunreinigungen wie beispielsweise Öl, Erde, Walzzunder, Oxid und Schmutz von dem Verbundblech entfernt werden. Nach dem chemischen Reinigen werden die beiderseitigen Oberflächen des Verbundblechs so vorbehandelt, daß sie ein Schmiermittel halten können, und dann werden die beiderseitigen Oberflächen des Verbundblechs mit dem Schmiermittel beschichtet. Nach dem Schmieren wird das Verbundblech dann zu dem nahtlosen Zylinderbecher kaltgezogen.
- Der auf diese Weise hergestellte nahtlose Zylinderbecher ist an einem Ende geschlossen und am anderen seiner Enden offen und kann dann zu einer Gasflasche fertigbearbeitet werden, indem an dem offenen Ende das nahtlosen Zylinderbechers durch einen herkömmlichen Drückvorgang, wie er an sich bekannt ist, ein Flaschenkopf geformt wird. Der Flaschenkopf kann dann mit einem Innengewinde versehen werden.
- Von den Erfindern wurde herausgefunden, daß das Aufeinanderplattieren von Nickelblech und Stahlblech zur Herstellung einer vollflächigen gleichförmigen Bindung, beispielsweise durch Explosionsplattierung oder Aufwalzen, zur Herstellung einer Gasflasche führt, die bekannten korrosionsbeständigen Gasflaschen weit überlegen ist. Der Grund für diese Überlegenheit liegt darin, daß während des Ziehvorgangs das Nickel zusammen mit dem Stahl gezogen wird, so daß die Innenschicht aus Nickel im wesentlichen keine Risse, Hohlräume, Löcher oder andere Fehlstellen hat. Des weiteren bleibt die gleichförmige Bindung erhalten, nachdem der nahtlose Zylinderbecher gezogen ist, so daß keine Hohlräume zwischen der Stahlschicht und der Nickelschicht vorhanden sind. Diesbezüglich muß bei einem Kaltziehvorgang das zu ziehende Metall fließen. Die Ziehbarkeit von Metallen, bevor Spannungshärtung eintritt, ist von Metall zu Metall unterschiedlich. Beispielsweise wurde versucht, ein Verbundblech aus rostfreiem Stahl und einem Chrom-Molybdän-Stahl kaltzuziehen, was aber wegen der Spannungshärtung des rostfreien Stahls nicht vollständig gelang. Nickel neigt ebenfalls zur Kaltverfestigung und ist spannungsempfindlich. Es war daher nicht bekannt, ob Nickel und Stahl ohne Rißbildung miteinander fließen. Infolgedessen ist die Tatsache, daß ein Verbundblech aus Nickel und Stahl zusammen kaltgezogen werden kann, ein überraschendes Ergebnis an sich.
- Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun beispielsweise beschrieben, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird, die einen Längsschnitt eines nahtlosen Zylinderbechers zeigt.
- Gemäß der Zeichnung weist ein nahtloser Zylinderbecher 10 eine Außenwand 12, die durch eine mit der Bezugszahl 14 bezeichnete Schicht aus 4130-Cr-Mo-Stahl gebildet ist, und eine Innenwand 16 auf, die durch eine Nickelschicht gebildet ist, die mit der Bezugszahl 18 bezeichnet ist. Anzumerken ist, daß auch Stähle anderer Legierungszusammensetzung verwendet werden können, beispielsweise C-Mn, mittlerer Mn-Stahl und so weiter.
- Der nahtlose Zylinderbecher 10 wird aus einem Blech aus 4130- Cr-Mo-Stahl, das etwa 9,525 mm dick ist, und einem Nickelblech hergestellt, das etwa 1,588 mm dick und auf die Oberseite des Stahlblechs aufgelegt ist. Das Nickelblech wird vorzugsweise explosiv in herkömmlicher Weise auf das Stahlblech aufplattiert. Bei dem herkömmlichen Explosionsplattieren wird der Explosivstoff auf das Nickelblech aufgelegt. Zwischen die beiden Bleche werden Kartonabstandhalter eingelegt, und um die beiden Bleche wird eine Form aus Karton angeordnet. Nach der Detonation des Explosivstoffs wird ein Verbundmaterial mit zwei beiderseitigen Oberflächen geschaffen, von denen eine die Außenwand 12 und die andere die Innenwand 16 des nahtlosen Zylinderbechers 10 bildet. Das so hergestellte Verbundblech weist ein Netzwerk von mikroskopischen Eingriffswellenformationen auf, die im Verbindungsbereich des Nickelblechs mit dem Stahlblech gebildet sind und eine mechanische Verbindung herstellen, die über die gesamte Grenzfläche zwischen dem Nickelblech und dem Stahlblech gleichförmig ist. Eine andere Möglichkeit zur Herstellung einer gleichförmigen Verbindung ist das Aufwalzen des Nickelblechs auf das Stahlblech. Die in dieser Weise hergestellte gleichförmige Verbindung wird auf dem Fachgebiet allgemein als Diffusionsbindung bezeichnet.
- Das Verbundblech ist so bemessen, daß Kreise aus dem Verbundblech mit entweder 38,1 cm oder 60,96 cm Durchmesser ausgestanzt werden können, um einen oder mehrere kreisförmige Rohlinge herzustellen. Es ist klar, daß das Nickelblech und das Stahlblech vorgestanzt sein können, um nach dem Aufplattieren einen kreisförmigen Rohling zu bilden.
- Der so hergestellte kreisförmige Rohling wird dann mechanisch gereinigt. Dies erfolgt dadurch, daß die beiderseitigen Oberflächen des Verbundblechs mit einem alkalischen Reinigungsmittel in Berührung gebracht werden. Dazu wird der kreisförmige Rohling in eine erwärmte wässrige Lösung eingetaucht, welche das alkalische Reinigungsmittel enthält, vorzugsweise PARCO CLEANER 2076, der von Parker und Amchem Henkel Canada LTD, 165 Rexdale Blvd, Rexdale, Toronto, Ontario M9W 1P7, hergestellt wird. Das Reinigungsmittel ist in der Lösung mit einer Konzentration in einem Bereich zwischen 7% und 8,6% nach Volumen enthalten, und die Lösung wird auf eine Temperatur im Bereich zwischen etwa 82ºC und etwa 92ºC erwärmt. Der kreisförmige Rohling wird für etwa drei bis etwa vier Minuten eingetaucht. Diese Behandlung reinigt den Rohling physikalisch durch Entfernen von Verunreinigungen wie beispielsweise Öl und Erde. Danach werden Alkalirückstände durch Eintauchen des kreisrunden Rohlings in ein Frischwasserspülbad eingetaucht, das auf eine Temperatur im Bereich zwischen etwa 60ºC und etwa 66ºC erwärmt ist, während etwa drei bis etwa vier Minuten.
- Die beiderseitigen Oberflächen des kreisförmigen Rohlings werden dann durch Kontakt mit einer sauren Beizlösung chemisch gereinigt, um Verunreinigungen wie beispielsweise Zunder, Oxid und Schmutz von den beiderseitigen Oberflächen zu entfernen. Dies erfolgt durch Eintauchen des Rohlings in ein Bad, das eine wässrige Schwefelsäurelösung mit einer Konzentration im Bereich zwischen etwa 10% und etwa 15% nach Volumen und eine Temperatur im Bereich zwischen etwa 60ºC und etwa 82ºC aufweist. Der kreisrunde Rohling wird sodann nach Verstreichen einer Zeitspanne im Bereich zwischen etwa sechs und etwa acht Minuten aus der sauren Ätzlösung herausgenommen. Nach dem Herausnehmen wird der kreisförmige Rohling kurz in kaltes darüberfließendes Spülwasser bei Raumtemperatur eingetaucht, um den Ätzvorgang der sauren Ätzlösung zu stoppen. Nach der Kaltwasserspülung wird der kreisförmige Rohling in frisches Spülwasser eingetaucht, um sicherzustellen, daß alle Ätzlösungsrückstände beseitigt werden, und um die Temperatur des Rohlings anzuheben, so daß dieser mit einem Schmiermittel überzogen werden kann. Das frische Spülwasser wird auf eine Temperatur im Bereich zwischen etwa 71ºC und etwa 82ºC erwärmt, und das Eintauchen dauert eine Zeitspanne im Bereich zwischen etwa sechs und etwa acht Minuten.
- Nach dem chemischen Reinigen des Rohlings wird ein Schmiermittel auf beide Oberflächen aufgebracht. Gemäß der Erfindung ist dieses Schmiermittel für die Nickeloberfläche und die Stahloberfläche das gleiche. Vor dem Aufbringen des Schmiermittels werden die Oberflächen des Rohlings so vorbehandelt, daß das Schmiermittel während des Kaltziehens des nahtlosen Zylinderbechers 10 an diesen Oberflächen verbleibt.
- Die Vorbehandlung findet unmittelbar nach dem Abschluß der chemischen Reinigung statt, während der Rohling noch von der heißen Frischwasserspülung heiß ist, indem die beiderseitigen Oberflächen des Rohlings mit einem Oxidationsmittel wie beispielsweise Oxalsäure in Berührung gebracht werden. Bemerkenswert ist, daß die Erfinder dabei herausgefunden haben, daß beide Oberflächen mit Oxalsäure vorbehandelt werden können, obwohl eine solche Behandlung bisher für Stahl nicht empfohlen wurde. Gemäß der Erfindung wird der Rohling in eine Oxalsäurelösung eingetaucht, die vorzugsweise BONDERITE 72A enthält, das von Parker und Amchem Henkel Corporation, 88100 Stephanson Highway, Madison Heights, Michigan 48872, hergestellt, wird, und zwar mit etwa 6,3 bis etwa 9,4 Volumenprozent. Diese Lösung wird auf eine Temperatur im Bereich zwischen etwa 71ºC und etwa 77ºC erwärmt, und die Eintauchdauer liegt zwischen etwa fünf bis etwa zwanzig Minuten. Danach werden die beiderseitigen Oberflächen des Rohlings durch kurzes Eintauchen des Rohlings in eine kalte Spülströmung aus Wasser bei Raumtemperatur gespült. Dadurch wird die Oxalatumsetzung gestoppt. Irgendwelche auf den beiderseitigen Oberflächen des Rohlings verbleibende restliche Säure wird dann durch einen Neutralisierer im wesentlichen eliminiert, vorzugsweise durch ein Bad, das auf eine Temperatur von etwa 82ºC bis etwa 93ºC erwärmt ist und PARCOLENE 21 enthält, das von Parker und Amchem Henkel Canada LTD hergestellt wird, deren Adresse oben schon angegeben wird, und zwar in einer wässrigen Lösung mit etwa 0,09 Volumenprozent.
- Das Schmiermittel wird dann auf die beiderseitigen Oberflächen wiederum durch Eintauchen in ein Bad aufgebracht. Das Bad ist vorzugsweise BONDERLUBE 234, das ebenfalls von Parker und Amchem Henkel Canada LTD hergestellt wird, oder irgendein anderes Kaltformungsschmiermittel mit außerordentlich hoher Filmstärke in einer wässrigen Lösung und bei einer Konzentration von etwa 6,25%. Das Bad wird auf eine Temperatur von etwa 74ºC bis etwa 77ºC erwärmt, und die Eintauchzeit liegt im Bereich zwischen etwa neun und etwa zwölf Minuten. Nach Abschluß des Aufbringens des Schmiermittels kann der Rohling dann zu dem nahtlosen Zylinderbecher kaltgezogen werden. Vorzugsweise wird der Rohling zuerst gestanzt, geglüht, erneut geschmiert, und dann zu dem nahtlosen Zylinderbecher gezogen, wie beispielsweise durch den nahtlosen Zylinderbecher 10 dargestellt ist.
Claims (6)
1. Verfahren zum Herstellen eines nahtlosen Zylinderbechers
mit einer Außenfläche aus Stahl und einer Innenfläche aus
Nickel, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Aufplattieren eines Nickelblechs (18) auf ein Stahlblech (14)
derart, daß die Bleche zur Bildung eines Verbundblechs
gleichförmig miteinander verbunden sind,
physikalisches und chemisches Reinigen der beiderseitigen
Oberflächen des Verbundblechs zum Beseitigen von
Verunreinigungen,
Vorwärmen der beiderseitigen Oberflächen zum Halten eines
Schmiermittels,
anschließendes Beschichten der beiderseitigen Oberflächen mit
dem Schmiermittel, und
Kaltziehen des Verbundblechs zu dem nahtlosen Zylinderbecher.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
Explosionsplattieren des Nickelblechs (18) auf das
Stahlblech (14).
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Nickelblech (18) und das Stahlblech (14) durch Aufwalzen
aufeinander aufplattiert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiderseitigen Oberflächen des Verbundblechs mit
Oxalsäure vorbehandelt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet
durch Herstellen des Verbundblechs zu einem kreisförmigen
Rohling direkt nach dem Aufplattieren.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
kreisrunde Rohling napfgezogen und unmittelbar vor dem
Kaltziehen erneut geschmiert wird.
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