DE69418340T2

DE69418340T2 - Einstückige spinndüse aus einem einzigen metall und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE69418340T2
Application number: DE69418340T
Authority: DE
Inventors: Mark A. Short; Thomas Edward Willis
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1993-11-09
Filing date: 1994-11-07
Publication date: 1999-11-04
Anticipated expiration: 2014-11-08
Also published as: US5512114A; EP0728231B1; US5512113A; JPH09505358A; EP0728231A1; JP3493463B2; KR960705969A; KR100240851B1; DE69418340D1; WO1995013410A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Spinndüsen mit sehr kleinen Kapillaren, hergestellt aus korrosionsbeständigen Materialien, werden seit langem von Herstellern einiger Faserprodukte gesucht. Zum Beispiel werden Aramide (wie z. B. Poly(p-phenylenterephthalamid)) oft aus heißen konzentrierten Schwefelsäurelösungen gesponnen und benötigen Spinndüsen aus korrosionsbeständigem Material.

Beschreibung des Stands der Technik

Das US-Patent Nr. 4 054 468 (Honnaker et al.) offenbart eine korrosionsbeständige Spinndüse und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Spinndüse durch Formen und maschinelles Bearbeiten eines Laminats, das einen Trägerkörper aus Edelstahl oder Tantal- Legierung und eine Stirnschicht aus reinem Tantal-Metall, die an den Trägerkörper sprenggebunden worden ist, umfaßt. Bei dem Verfahren ist es erforderlich, daß der Spinndüsenformling-Trägerkörper maschinell bearbeitet wird, Schulterbohrungen durch den Trägerkörper und teilweise in die Stirnschicht gebohrt werden, Spinndüsenkapillare aus den Schulterbohrungen durch die Stirnschicht zur Austrittsfläche der Spinndüse geformt werden, die Fläche poliert wird, um vorstehende Stellen zu entfernen, und die Fläche durch Wärmebehandlung in Stickstoff gehärtet wird. Die Spinndüsen dieses Patents benötigen Zwei-Schicht-Materialien.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt eine Spinndüse 10 zur Verfügung, umfassend einen Metallkörper 12 mit:
(a) einer Eintrittsfläche 14 und
(b) einer Austrittsfläche 16 mit
(c) wenigstens einem Spinnkanal 18, der sich von der Eintrittsfläche 14 zur Austrittsfläche 16 erstreckt, wobei der Spinnkanal 18 einen Vorkanal 22, welcher von der Eintrittsfläche 14 in den Metallkörper 12 reicht, und eine Kapillare 26, welche durch einen Kapillarbereich von der Austrittsfläche 16 in den Metallkörper 12 bis zu einem Verbindungspunkt 28 mit dem Vorkanal 22 reicht, umfaßt, wobei das Metall in dem Kapillarbereich weicher als das Metall im Rest des Körpers 12 ist, und wobei die Querschnittsfläche des Vorkanals 22 größer ist als die Querschnittsfläche der Kapillare 26 und die Länge der Kapillare 26 mehr als das 1,5fache des Durchmessers der Kapillare 26 beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkörper 12 ein einstückiger Einmetallkörper 12 ist.
Die Länge der Kapillare beträgt vorzugsweise mehr als das 2fache ihres Durchmessers. Der Durchmesser der Kapillare beträgt im allgemeinen weniger als 0,15 Millimeter.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Spinndüse 10 aus einem einstückigen Einmetallkörper 12 zur Verfügung, der eine Streckfestigkeit von mehr als 350 MPa aufweist und eine Eintrittsfläche 14 und eine Austrittsfläche 16 besitzt, umfassend die Schritte:
(a) Bohren wenigstens eines Vorkanals 22 von der Eintrittsfläche in den Körper 12,
(b) Formen wenigstens einer Kapillare 26 von der Austrittsfläche 16 in den Körper 12 und Verbinden mit dem Vorkanal 22, dadurch gekennzeichnet, daß
(c) vor dem Formen der Kapillare 26 nur ein Kapillarbereich des Körpers 12, der sich über die Länge der Kapillare 26 zur Austrittsfläche 16 erstreckt, durch Erhitzen lediglich des Kapillarbereichs auf eine Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur und unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls geglüht wird, wodurch nur das Metall in dem Kapillarbereich eine Streck festigkeit von weniger als 350 MPa aufweist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer tassenförmigen Spinndüsenausführungsform dieser Erfindung. Fig. 2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils der Spinndüse von Fig. 1, die einen einzelnen Spinnkanal umfaßt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

In Fig. 1 besteht die im Querschnitt gezeigte Spinndüse 10 aus einem Einmetallkörper 12 mit einer Eintrittsfläche 14 und einer Austrittsfläche 16. Der Einmetallkörper 12 kann durch Verwendung eines beliebigen Metalls mit ausreichender Festigkeit hergestellt werden. Einige der Metalle, die sich zur Verwendung zum Bau von Spinndüsen dieser Erfindung eignen, sind, zusammen mit wichtigen Eigenschaften dieser Metalle, in Tabelle 1 angegeben. Spinndüsenmetalle werden üblicherweise auf der Basis annehmbarer Korrosionsbeständigkeit und ausreichender Streckfestigkeit ausgewählt, um den Belastungen bei der beabsichtigten Verwendung zu widerstehen.
Die für Spinndüsen dieser Erfindung bevorzugten Metalle weisen in der Umgebung der beabsichtigten Verwendung eine niedrige Korrosionsrate auf, wie z. B. 0,025 Millimeter/Jahr oder weniger. Niedrige Korrosionsraten sind aufgrund der geringen Größe der Kapillare und den kleinen mechanischen Toleranzen, die erforderlich sind, um die Gleichförmigkeit der Faser zu gewährleisten, notwendig. Die Anforderungen an die Festigkeit von Materialien zum Bau von Spinndüsen sind derart, daß Spannungen, die auf die Spinndüse wirken, geringer sein müssen als die Streckfestigkeit (Streckgrenze) des Materials während der Verwendung, um eine dauerhafte Beschädigung zu vermeiden. Die Spinndüsen dieser Erfindung können vom Typ einer Platte, Scheibe oder Tasse mit flachem oder gewölbtem Boden und rundem oder nicht-rundem Querschnitt sein.
Ein Metall kann durch "Kaltverfestigung" gehärtet und dabei gefestigt werden. Die Kaltverfestigung wird durch Deformieren eines Metalls über dessen Streckgrenze hinaus erreicht. Das Kaltwalzen ist ein übliches kontrolliertes Kaltverfestigungsverfahren, das zu erhöhter Streckfestigkeit und Härte führt. Die Kaltverfestigung kann durch irgendeinen Vorgang erzeugt werden, welcher das Metall plastisch verformt.
Ein Metall kann weichgemacht oder geglüht werden, indem es auf die passende Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur und unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls erhitzt und abgekühlt wird, so wie es erforderlich ist, um die erwünschte Änderung der Eigenschaften zu erzielen. Metalle, die durch Kaltverfestigung gehärtet worden sind, können durch Anwendung einer Glühwärmebehandlung weichgemacht werden.
Es ist allgemein festgestellt worden, daß Metalle, die sich zur Verwendung in Spinndüsen dieser Erfindung eignen, gehärtet eine Streckfestigkeit von mehr als etwa 350 MPa und vorzugsweise mehr als 450 MPa und eine Härte von mehr als etwa HRB 85 und vorzugsweise mehr als HRB 90 (Rockwell-Härte, "B"-Skala) aufweisen, vorausgesetzt, daß andere Bedingungen, wie z. B. ausreichende Korrosionsbeständigkeit, erfüllt sind. Im weichgemachten oder geglühten Zustand werden solche Metalle eine Streckfestigkeit von weniger als etwa 350 MPa und vorzugsweise weniger als 250 MPa und eine Härte von weniger als etwa HRB 85 und vorzugsweise weniger als HRB 75 aufweisen.
Zur Aramidfaserherstellung - wo konzentrierte Schwefelsäurespinnlösungen versponnen werden - sind die bevorzugten Spinndüsenmetalle "reines" Tantal in Handelsqualität und Tantal, das mit 2 bis 3 Prozent Wolfram legiert ist. Tantalmetall und -legierungen dieses Typs, die auch ein Kornverfeinerungsmittel enthalten, wie z. B. Niob, sind geeignet, sind jedoch weniger wünschenswert, da die maschinelle Behandlung schwieriger ist. Tantal-Legierungen mit bis zu 15 Gew.-% Wolfram können verwendet werden, sie sind jedoch ebenfalls schwierig maschinell bearbeitbar und das Bohren führt zu einem hohen Werkzeugverschleiß. Edelstähle mit der erforderlichen Streckfestigkeit, Dehnung und Korrosionsbeständigkeit können ebenfalls verwendet werden. Materialien, die anders sind als Tantal, können für konzentrierte Schwefelsäurespinnlösungen verwendet werden, solange sie korrosionsbeständig sind und geglüht Streckfestigkeiten von weniger als 350 MPa besitzen. Einige solcher Materialien sind in Tabelle I aufgeführt.
Die Spinndüse 10 hat im allgemeinen viele Spinnkanäle 18, mehrere zehn bis hundert und in manchen Fällen sogar mehrere tausend.
Fig. 2 stellt eine Vergrößerung eines Teils der Spinndüse 10 von Fig. 1 dar. Der Spinnkanal 18 durch den Metallkörper 12 ist in größerem Detail gezeigt. Der Spinnkanal 18 ist dreiteilig aufgebaut. Der Vorkanal 22 ist der Teil des Spinnkanals 18 mit relativ großem Durchmesser, der sich von der Eintrittsfläche 14 in den Körper 12 erstreckt, und die Kapillare 26 ist der Teil des Spinnkanals 18 mit relativ kleinem Durchmesser, der sich von der Austrittsfläche 16 in den Körper 12 erstreckt. Der Vorkanal 22 endet mit einem verjüngten Kanal 24, der sich vom Inneren des Vorkanals 22 bei 27 zum Innenende der Kapillare 26 bei 28 erstreckt. Der Durchmesser des Vorkanals 22 beträgt im allgemeinen etwa 0,6 Millimeter und kann von 0,5 bis 7 Millimeter reichen. Die Kapillare 26 kann von rundem oder anderem Querschnitt sein und hat im allgemeinen einen Durchmesser oder eine kürzeste Seite-zu-Seite- Querschnittsabmessung von etwa 0,065 Millimeter und kann von 0,01 bis 4 Millimeter reichen. Der verjüngte Kanal 24 kann eine konische oder andere Form haben, er hat im allgemeinen einen Gesamtwinkel von 45 Grad und kann von 20 bis 120 Grad reichen. Der große Durchmesser des Vorkanals 22 beträgt wenigstens das zweifache des Durchmessers der Kapillare und beträgt in der Regel wenigstens das 8fache des Kapillardurchmessers.
Die hier angegebenen Dimensionen und Verhältnisse bezüglich der Elemente der Spinndüsen dieser Erfindung sollen den üblichen Fall darstellen, insbesondere hinsichtlich Spinndüsen, die zum Spinnen von konzentrierten Schwefelsäurespinnlösungen verwendet werden, und sollen die Spinndüsen in keinster Weise limitieren.
Die Kapillare 26 hat im allgemeinen eine Länge von 0,18 Millimeter und kann eine Länge von 0,04 bis 7 Millimeter haben. Das Stanzen der Kapillaren in das Metall wird zunehmend schwierig, wenn der Durchmesser der Kapillaren zunimmt, und ein solches Stanzen wird ist wesentlich schwerer, wenn die Länge der zu stanzenden Kapillare mehr als das 2fache des Kapillardurchmessers beträgt. Das Verhältnis von Kapillarenlänge zu Kapillarendurchmesser wird als L/D bezeichnet. Diese Erfindung findet bei jeder aus einem Stück Metall hergestellten Spinndüse Verwendung; es entsteht jedoch ein besonderer Nutzen, wenn der Kapillaren-L/D-Wert mehr als 1,5 beträgt. Im Falle einer Kapillare mit rundem Querschnitt bedeutet der Kapillarendurchmesser den Durchmesser, und im Falle einer Kapillare mit nicht-rundem Querschnitt bedeutet er die kürzeste Seite-zu-Seite-Abmessung des Querschnitts.
Wie angegeben, werden die Spinndüsen dieser Erfindung aus einem einzigen Stück Metall ohne zusätzliche gebundene Schichten hergestellt, wobei das unbehandelte Metall zu hart ist, um darin wirksam Kapillaren einzustanzen oder zu bohren. Es ist entdeckt worden, daß ein dünnes Volumen des Spinndüsenkörpers geglüht werden kann, um ein genau gesteuertes örtlich begrenztes Erweichen des Metalls zu verursachen, damit die Kapillaren gestanzt werden können. Das Glühen wird in der Dicke des Spinndüsenkörpers von der Austrittsfläche zum Innenende der Kapillare 28, was hier nachfolgend als Kapillarbereich bezeichnet wird, durchgeführt. Der Kapillarbereich ist in Fig. 2 als das Volumen der Spinndüse bezeichnet, welches von der Linie Z-Z zur Austrittsfläche 16 reicht und sich über die Länge der Kapillaren zur Austrittsfläche erstreckt. Der Kapillarbereich kann natürlich etwas mehr oder weniger als die Gesamtlänge der Kapillaren betragen, der Grund für den Kapillarbereich darf jedoch nicht vergessen werden, d. h., ein weichgemach tes Metall zu ergeben, in dem Kapillaren gebildet werden können. Durch dieses Glühverfahren kann der Kapillarbereich weichgemacht werden, während die Härte und Festigkeit im Rest der Spinndüse, welche für einen erfolgreichen und zuverlässigen Betrieb erforderlich sind, beibehalten werden.
Das örtlich begrenzte Glühen kann durch Richten eines konzentrierten Energiestrahls auf die Austrittsfläche der Spinndüse erreicht werden, um die Temperatur des Kapillarbereichs über die Rekristallisationstemperatur, nicht jedoch bis zur Schmelztemperatur des Metalls ansteigen zu lassen. Durch Einstellen der Schärfe und Energie des Strahls kann die erwünschte Glühtiefe gesteuert werden, um nur auf den Kapillarbereich einzuwirken. Das bevorzugte Verfahren ist, einen Elektronenstrahl zu verwenden, es kann jedoch auch ein Laserstrahl verwendet werden. Das Elektronenstrahlerhitzen ist ein gut bekanntes Mittel zur Erwärmung von Metallen. Eine Beschreibung des Elektronenstrahlerhitzens kann im Metals Handbook, 8. Auflage, Band 6, "Welding and Brazing" von der American Society for Metals (1971), Seiten 519-564, gefunden werden.
Um eine Spinndüse dieser Erfindung herzustellen, werden Vorkanäle mit geeigneter Größe in die Eintrittsfläche eines Spinndüsenrohlings bis zum erwünschten Abstand von der Austrittsfläche gebohrt oder geformt, und anschließend werden die verjüngten Kanäle gebohrt oder geformt. Als ein fakultativer Schritt können die Eintritts- und Austrittsflächen flachpoliert werden, nachdem diese Kanäle erzeugt worden sind.
Bevor die Kapillaren aus den verjüngten Kanälen an der Austrittsfläche gebildet werden, muß der Kapillarbereich an der Austrittsfläche durch Glühen unter Verwendung eines fokussierten Hochenergiestrahls weichgemacht werden. Das Glühen kann vor oder nach der Bildung der Vorkanäle und der verjüngten Kanäle durchgeführt werden. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, das Glühen durchzuführen, bevor die Kanäle gebildet werden, so daß die kanal- und kapillarformenden Verfahren ohne Störung abgeschlossen werden können. Das Glühen kann durchgeführt werden, indem ein fokussierter Hochenergiestrahl so gerichtet wird, daß die Temperatur des Rohlings an der Austrittsfläche und durch den Kapillarbereich auf über die Rekristallisations- oder Glühtemperatur und unter die Schmelztemperatur des Metalls angehoben wird. Bei Tantal und Tantal- Legierungen beträgt die Rekristallisationstemperatur etwa 1250ºC. Die Rekristallisations- und Schmelztemperaturen von anderen geeigneten Metallen sind in Tabelle I gezeigt. Wenn man Elektronenstrahlenergie auf Tantal und Tantal-Legierungen einwirken läßt, hat es sich als wirksam erwiesen, einen 120-Kilowatt-10-Milliamper- Strahl auf einen Durchmesser von 1,5 Millimeter zu fokussieren und den Spinndüsenrohling mit einer 0,75-Millimeter-Überlappung bei jedem Durchgang mit einer angemessenen Abtastgeschwindigkeit abzutasten, um die erwünschte Temperatur zu erreichen. Diese Kombination von Strahlenergie, Strahlfokussierung und Abtastgeschwindigkeit hat sich als geeignet erwiesen, um einen geglühten Kapillarbereich mit einer Dicke von etwa 0,75 Millimeter in Tantal zu erzielen. Die Strahlenergie und die Abtastgeschwindigkeit können bei der Verwendung mit anderen Metallen angepaßt werden.
Einige Metalle erleiden eine Verfärbung oder Oxidation, wenn sie an Luft geglüht werden. Aus diesem Grund ist es bevorzugt, jedoch fakultativ, daß das Glühverfahren in einem Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt wird.
Wenn das Glühen beendet ist und die Kanäle erzeugt worden sind, werden die Kapillaren durch den Spinndüsenrohling vom Fuß des verjüngten Kanals zur Austrittsfläche geformt. Das Formen der Kapillare kann mittels eines Stanzwerkzeugs durchgeführt werden, welches aus einem festen, verschleißbeständigen Material, wie z. B. Wolframcarbid oder Werkzeugstahl, in der gleichen Größe und Form wie die erwünschten Kapillaren besteht. In manchen Fällen können die Kapillaren auch gebohrt werden, und das Ziel ist das gleiche, nämlich einen extrem kleinen Kanal in einem harten Metall zu bilden. Für den Zweck dieser Erfindung umfaßt das Formen von Kapillaren das Bohren von Kapillaren. Nach der Kapillarbildung ist es oft erwünscht, die Austrittsfläche der Spinndüse zu polieren, um etwaige Grate oder Unregelmäßigkeiten zu entfernen. TABELLE I EIGENSCHAFTEN EINIGER SPINNDÜSENMETALLE
* Zahl extrapoliert oder aus vorhandenen Daten geschätzt.
** Unified Numbering System (UNS). Materialbezeichnung, wie sie durch die ASTM E 527-83 festgelegt wird.
TA = Glüh(Rekristallisations)temperatur
Tm = Schmelztemperatur
Ha = Härte im geglühten Zustand
Hh = Härte im gehärteten Zustand
Sa = Streckfestigkeit im geglühten Zustand
Sh = Streckfestigkeit im gehärteten Zustand
HRB = Rockwell-"B"-Härtezahl.
Anmerkung: Die prozentuale Kaltverformung (Verringerung des Querschnitts bei plastischer Verformung), die erforderlich ist, um das Material bis zur angegebenen Festigkeit/Härte zu härten, ist, falls bekannt, in Klammern neben Sh angegeben.

Claims

1. Spinndüse (10), umfassend einen Metallkörper (12) mit:

(a) einer Eintrittsfläche (14) und

(b) einer Austrittsfläche (16) mit

(c) wenigstens einem Spinnkanal (18), der sich von der Eintrittsfläche (14) zur Austrittsfläche (16) erstreckt, wobei der Spinnkanal (18) einen Vorkanal (22), welcher von der Eintrittsfläche (14) in den Metallkörper (12) reicht, und eine Kapillare (26), welche durch einen Kapillarbereich von der Austrittsfläche (16) in den Metallkörper (12) bis zu einem Verbindungspunkt (28) mit dem Vorkanal (22) reicht, umfaßt, wobei das Metall in dem Kapillarbereich weicher als das Metall im Rest des Körpers (12) ist, und wobei die Querschnittsfläche des Vorkanals (22) größer ist als die Querschnittsfläche der Kapillare (26) und die Länge der Kapillare (26) mehr als das 1,5fache des Durchmessers der Kapillare (26) beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkörper (12) ein einstückiger Einmetallkörper (12) ist.

2. Spinndüse (10) nach Anspruch 1, bei der die Streckfestigkeit des Metalls von der Eintrittsfläche (14) zur Kapillare (26) größer als 350 MPa ist.

3. Spinndüse (10) nach Anspruch 1, bei der das Metall des Körpers (12) Tantal umfaßt.

4. Spinndüse (10) nach Anspruch 2, bei der die Steckfestigkeit des Metalls in dem Kapillarbereich weniger als 350 MPa beträgt.

5. Spinndüse (10) nach Anspruch 4, bei der das Metall des Kapillarbereichs eine Härte von weniger als HRB 85 hat und das Metall des restlichen Körpers (12) eine Härte von mehr als HRB 85 hat.

6. Verfahren zur Herstellung einer Spinndüse (10) aus einem einstückigen Einmetallkörper (12), der eine Streckfestigkeit von mehr als 350 MPa aufweist und eine Eintrittsfläche (14) und eine Austrittsfläche (16) besitzt, umfassend die Schritte:

(a) Bohren wenigstens eines Vorkanals (22) von der Eintrittsfläche in den Körper (12),

(b) Formen wenigstens einer Kapillare (26) von der Austrittsfläche (16) in den Körper (12) und Verbinden mit dem Vorkanal (22),

dadurch gekennzeichnet, daß

(c) vor dem Formen der Kapillare (26) nur ein Kapillarbereich des Körpers (12), der sich über die Länge der Kapillare (26) zur Austrittsfläche (16) erstreckt, durch Erhitzen lediglich des Kapillarbereichs auf eine Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur und unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls getempert wird, wodurch nur das Metall in dem Kapillarbereich eine Streckfestigkeit von weniger als 350 MPa aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Metall Tantal umfaßt und auf wenigstens 1250ºC erhitzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Kapillarbereich vor jeglichem Bohren oder Formen getempert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Vorkanäle (22) gebohrt werden, bevor der Kapillarbereich getempert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Länge der Kapillare (26) wenigstens das 1,5fache des Durchmessers der Kapillare (26) beträgt.