DE69913478T2

DE69913478T2 - Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen dünnwandigen Balges

Info

Publication number: DE69913478T2
Application number: DE69913478T
Authority: DE
Inventors: Viktor Nikonorovich Semenov; Alexandr Konstantinovich Trtyakov; Gennady Grigorievich Derkach; Vladimir Konstantinovich Chavnov; Jury Vasilievich Movchan; Mikhail Ivanovich Zykov; Valentin Georgievich Polushin
Original assignee: NP OB ENERGOMASH IMENIE AKADEM; Nauchno Proizvodstvennoe Obiedinenie Energomas OAO
Current assignee: Otkrytoe Aktsionernoe Obschestvo "npo Energomash I
Priority date: 1999-02-04
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2019-09-11
Also published as: US6202281B1; DE69913478D1; EP1025919A3; EP1025919B1; RU2164188C2; EP1025919A2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen dünnwandigen Balges, durchgeführt unter Hochtemperaturbedingungen, Hochdruckbedingungen und korrosiv medialen Bedingungen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 (siehe dazu beispielsweise SU-A-1 292 870).
Hintergrund der Erfindung
Mehrschichtige dünnwandige Metallbälge werden weitverbreitet in verschiedenen technischen Gebieten verwendet, wie z. B. in der Luftfahrtindustrie, in der Maschinenherstellung und in der Ölindustrie, beispielsweise zum Schützen einer beweglichen Verbindung für Pipelines, welche insbesondere zum Ausgleichen deren Verlagerung aufgrund von äußerlichen Einflüssen erforderlich ist.
Verschiedene Verfahren zur Herstellung der mehrschichtigen dünnwandigen Bälge sind bekannt. Die Herstellung von mehrschichtigen Bälgen aus einzelnen dünnen Platten durch Verschmelzen ist beschrieben in dem US Patent Nr. 2797112 der US CI 72-59, aus 1959. Sicherlich ist das bekannte Verfahren einigermaßen aufwendig und erfordert ein zusätzliches Prüfen zur Sicherstellung des zuverlässigen Betriebs der Bälge.
Ein Verfahren zur Herstellung dünnwandiger Bälge wird in dem US Patent Nr. 3782156 der US CI 72-59, aus 1974, beschrieben. Das Verfahren besteht aus einer vorläufigen Anordnung von Wendungen auf der inneren und äußeren Oberfläche der runden Rohlinge, der Bearbeitung deren innerer Oberfläche mit einer Walze, dem Verdichten unter Ausbildung von Wellen und der Wärmebehandlung zur metallischen Spannungsentlastung.
Das Zertifikat Nr. 1076166 Int. CI B 21 D 15/00, 1084 des russischen Erfinders schlägt vor, Bälge durch ein mechanohydraulisches Stoßen unter Ausbildung von Ringwellen auf einem Rundbalg und nachträglichem Subrekristallisations-Tempern bei einer Temperatur von 680°C + 10°C herzustellen. Dieses Verfahren erlaubt eine Verringerung der Laborarbeit während der Herstellung und eine Erhöhung der Betriebszuverlässigkeit der Bälge.
Das Zertifikat Nr. 1292870 Int. CI. B 21 D 15/00, 1987 des russischen Erfinders beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen dünnwandigen Balges aus Edelstahl mit gestoßenen runden Rohlingen, viele Schritte des Ziehens eines jeden runden Rohlings bis auf eine gegebene Größe, das Packen der gezogenen runden Rohlinge in einer mehrlagigen Anordnung, das Wellen der Anordnung mit der Balgformation als ein Produkt und dessen Wärmebehandlung. Gemäß dem bekannten Verfahren werden die runden Rohlinge mittels Ziehen durch die Matrix unter Verwendung von Stempeln deformiert, deren Durchmesser verändert, die Rohlinge dann die Anordnung bildend ineinander gefügt und gewellt, mit den nachfolgenden Arbeitsschritten der Oberflächendeformierung und der Wärmebehandlung – Subrekristallisations-Tempern.
Durch den Arbeitsschritt, dass jeder runde Rohling vor seinem Packen gezogen wird, ist es möglich, die Produktqualität aufgrund der Festigkeitszunahme bei wiederholter Belastung zu steigern.
Falls Legierungen strukturellen Veränderungen beim Erhitzen unterzogen werden, wobei beispielsweise härtende Legierungen auf Nickelbasis als Materialien für runde Rohlinge verwendet werden, sind derartige Formveränderungen wie beispielsweise Risse in den Rohlingwänden während dessen Ziehens und des Wellens aufgrund der geringen Dehnbarkeit dieser Legierungen möglich. Außerdem ist es aufgrund der für Legierungen charakteristischen hohen Oxidationsneigung möglich, dass diese Fehler, wie beispielsweise Risse und fehlerhafte Verschmelzungen in den Bälgen aufweisen, die bei deren Verschweißen mit Fittings entstanden sind. Dieser Umstand begrenzt die Verwendung derartiger Bälge über einen langen Zeitraum unter Hochtemperaturbedingungen, Hochdruckbedingungen und korrosiven Medien.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von mehrschichtigen dünnwandigen Bälgen aus aushärtbaren Legierungen auf Nickelbasis, welche für eine lange Dauer unter extremen Bedingungen, wie beispielsweise einem gasoxidierenden Medium bei Hochtemperatur und Hochdruck, betriebsfähig sind.
Die Vermeidung von Rissbildung in den Wänden der runden Rohlinge und Bälge ist das technische Ergebnis der vorliegenden Erfindung.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen dünnwandigen Balges erreicht, umfassend das Stoßen runder Rohlinge, das Ziehen eines jeden runden Rohlings in vielen Schritten auf eine gegebene Größe, das Packen der gezogenen runden Rohlinge zu einer mehrlagigen Anordnung, das Wellen der Anordnung mit der sich ergebenden mehrschichtigen Balgausbildung und die Wärmebehandlung der mehrschichtigen Bälge. Gemäß der Erfindung wird jeder runde Rohling aus einer aushärtbaren Nickellegierung mit einer Verfestigungsphase gesto ßen. Nach dem Ziehen wird jeder Rohling auf eine Temperatur zwischen 1.000 und 1.130°C erhitzt und in einem Schutzmedium mit der oben genannten Temperatur so lange gehalten, bis die Verfestigungsphase vollständig in der Legierung gelöst ist und heruntergekühlt auf eine Temperatur, bei der der Phasenübergang in der Legierung beendet ist. Danach werden die oben genannten Arbeitsschritte des Ziehens, des Erhitzens, des Haltens und des Herunterkühlens so lange wiederholt, bis die vorgegebene Größe eines jeden runden Rohlings erreicht ist, und die gepackten, gezogenen, runden Rohlinge werden in einer mehrlagigen Anordnung ausgebildet. Die mehrlagige Anordnung wird von beiden Seiten über die Stirnflächen verschweißt und die mehrschichtige Anordnung zur Bildung eines mehrschichtigen Balges verschweißt. Das Wärmebehandeln des mehrschichtigen Balges erfolgt durch das Aufheizen auf eine Temperatur zwischen 1.000 und 1.130°C. Der Balg wird in dem Schutzmedium bei dieser Temperatur bis zum vollständigen Lösen der Verfestigungsphase in der Legierung gehalten und anschließend auf die Temperatur der Beendigung des Phasenübergangs in dieser Legierung heruntergekühlt.
Ein Medium verdünnter Luft kann unter einem Druck von 10 × 10^–9 bis 10 × 10^–3 mm Quecksilbersäule als Schutzmedium verwendet werden.
Das Abkühlen der runden Rohlinge und der Bälge kann unter einer Inertgasspülung erfolgen.
Argon kann als das Inertgas verwendet werden.
Niob, Titan, Wolfram und Molybdän können als Verfestigungsphase verwendet werden.
Eine Schicht aus Nickel von 5 bis 15 μm Dicke kann auf die Randbereiche der äußeren und inneren Flächen der gezogenen runden Rohlinge aufgebracht werden, bevor die Wellung der Mehrschichtanordnung der runden Rohlinge hergestellt wird.
Die runden Rohlinge aus der aushärtbaren Nickellegierung werden dem mehrfachen Ziehen ausgesetzt, wobei die Rohlinge nach jedem Arbeitsschritt des Ziehens in dem Schutzmedium wärmebehandelt werden bei einer Temperatur, bei der sich die Verfestigungsphase vollständig in der Legierung löst, und anschließend heruntergekühlt werden, um eine Einphasen-Strukturbildung zu gewährleisten. Die Nickelschicht wird auf die Randbereiche der äußeren und inneren Flächen der runden Rohlinge aufgebracht, und der Rohling wird danach zur Bildung des Balges, welcher gemäß einem Ablauf der Wärmebehandlung des Rohlings nach jedem Arbeitsgang des Ziehens wärmebehandelt worden ist, gewellt. Diese Arbeitsschritte sind ebenfalls üblich für die Herstellung einschichtiger dünnwandiger Bälge.
In diesem Fall wird das Reißen der Wände des runden Rohlings während jedem Arbeitsschritt des Ziehens und der Balgwände bei deren Wellen dadurch vermieden, dass die Dehnbarkeit der Legierung gesteigert ist. Ebenfalls wird deren Oxidieren während des Schweißens der Bälge auf die Fittings dadurch vermieden, dass eine schützende Beschichtung auf deren Wänden anwesend ist, was in der Zunahme der Festigkeit der Einheit während des Betriebs resultiert.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Gemäß der Erfindung wird das vorgeschlagene Verfahren in der folgenden Art und Weise ausgeführt.
Die runden Rohlinge aus einer aushärtbaren Nickellegierung werden dem Ziehen unter Verwendung eines Gesenks ausgesetzt. Das Ziehen erfolgt in mehreren Schritten, wobei die Anzahl derselben von dem Verhältnis der Rohlingslänge zu dessen Durchmesser abhängig ist. Mit dem letzten Schritt des Ziehens wird der dünnwandige runde Rohling auf die gegebene Größe gebracht.
Der Rohling wird nach jedem Arbeitsschritt in einem Ofen einer Wärmebehandlung unterzogen. Die Erwärmung erfolgt auf eine Temperatur zwischen 1.000 und 1.130°C, wobei das Lösen der Legierungskomponenten, wie beispielsweise Titan, Niob, Wolfram, Molybdän, etc., welche als Verfestigungsphase verwendet werden, sichergestellt wird. Das Halten wird in Vakuum oder in Inertgas durchgeführt. Durch Kühlen unter Verwendung des Inertgasflusses wird eine einphasige Legierungs-Struktur erreicht. Der Temperaturmodus ist von der chemischen Zusammensetzung der Legierung abhängig. Die Wärmebehandlung erlaubt, die Dehnbarkeit der aushärtenden Nickellegierung zu erhöhen, da eine Einphasenstruktur sichergestellt wird, während die Wärmebehandlung nach jedem Ziehschritt die Legierung auf den anfänglichen Dehnbarkeitszustand zurückführt, welcher für das Schmieden erforderlich ist. Die Arbeitsschritte des Ziehens und der Wärmebehandlung werden in Abhängigkeit von den Größen und den Materialien der runden Rohlinge mehrmals wiederholt. Es werden Rohlinge mit Wanddicken von 0,1 bis 0,16 mm erhalten.
Die erhaltenen Rohlinge werden durch die Schicht aus Nickel mit einer Dicke von 5 bis 15 μm abgedeckt. Die Abdeckung wird auf die äußeren Bereiche sowohl der äußeren als auch der inneren Flächen der runden Rohlinge aufgetragen, wobei diese Teile nachher für das Schweißen eines Balges an einen Fitting verwendet werden. Eine Nickelschicht von weniger als 5 μm Dicke kann die geschweißte Verbindung nicht gegen ein Oxidieren während des Schweißens der Bälge an die Fittings schützen. Eine Schicht von mehr als 15 μm Dicke würde die chemische Zusammensetzung der Schweißnaht verändern, was wiederum zu einer Verringerung deren Härte während des Betriebs führt. Durch ein Galvanisierungsverfahren wird die Abdeckung aufgetragen. Die runden Rohlinge werden zu einer mehrlagigen Anordnung zusammengesetzt. Von beiden Seiten über die Stirnflächen wird die Anordnung verschweißt, unter Verwendung einer Presse gewellt und folglich ein Balg ausgebildet. Der Prozess wird bei einem Druck fortgesetzt, der experimentell in Abhängigkeit von einer gegebenen Beanspruchung und Wellengröße bestimmt wird. Nach dem Wellen wird der erhaltene Balg gemäß einem Verfahren wärmebehandelt, wie es für die runden Rohlinge nach jedem Ziehschritt verwendet wird. Zum Beispiel wird das Erhitzen und Ziehen bei einer Temperatur der Verfestigungsphase durchgeführt, bei der sich diese vollständig in der Legierung löst. Nachfolgend wird abgekühlt, um die Bildung einer Einphasenstruktur darin zu erzielen. Solche Wärmebehandlungen ermöglichen den Abbau von inneren Spannungen in dem Balg und das Ausschließen von möglichen Fehlern darin.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist zur Herstellung sowohl von einlagigen Bälgen, welche aus einem einzelnen runden Rohling hergestellt sind, als auch von mehrschichtigen Bälgen geeignet, welche aus vielen, d. h. zumindest zwei runden Rohlingen hergestellt sind, wobei der eine in den anderen mit Unterschieden in den gegebenen Durchmessern eingefügt ist. Die Beispiele zur Ausführung des Verfahrens zur Herstellung eines mehrschichtigen dünnwandigen Balges werden nachfolgend dargestellt.
Der Balg ist hergestellt aus aushärtenden Legierungen auf Nickel-Chrom Basis, mit beispielsweise Legierungsbestandteilen wie Niob, Titan, Aluminium, Wolfram, Molybdän, etc. Die oben genannten Legierungsbestandteile bilden die Verfestigungsphase.
Beispiel 1
Ein runder Rohling mit der Dicke von 1 mm und einem Durchmesser von 75 mm, welcher aus einer härtenden Nickellegierung hergestellt ist, die Niob und Titan als die Legierungsverfestigungsphase enthält, wurde durch Ziehen aus einem Blech unter Verwendung eines Stempels mit dem Ziehkoeffizienten 0,62 erhalten. Der erhaltene runde Rohling wurde in einem Vakuum-Heizofen bei einem Unterdruck zwischen 1 × 10^–4 und 1 × 10^–3 mm Quecksilbersäule auf die Temperatur von 1.000°C aufgeheizt und so lange gehalten, bis die Verfestigungsphase vollständig gelöst war. Danach wurde er unter einem Argonfluss zum Sicherstellen einer Einphasenstruktur der Legierung heruntergekühlt. Die Gaszuführung wurde beendet und ein weiteres Herunterkühlen wurde in dem Bereich der Argonstagnation durchgeführt. Ein zweiter Ziehschritt wurde mit einem Koeffizienten von 0,8 nach der Wärmebehandlung durchgeführt, wonach der runde Rohling nochmals gemäß dem oben beschriebenen Verfahren wärmebehandelt wurde. Die Ziehschritte und Arbeitsvorgänge der Wärmebehandlung wurden 15 Mal wiederholt, bis ein runder Rohling die folgenden gegebenen Größen erreichte: eine Wandstärke von 0,16 mm und ein äußerer Durchmesser von 62 mm.
Drei weitere runde Rohlinge wurden in der gleichen Art und Weise behandelt, jedoch mit anderen resultierenden gegebenen Durchmessern, nämlich entsprechend 60, 58 und 56 mm.
Vier dem Stoßen ausgesetzte runde Rohlinge wurden mit Nickel galvanisiert. Die Schichten von 5 μm Dicke wurden auf die Randbereiche der beiden Oberflächen jedes runden Rohlings aufgebracht, mit Ausnahme der äußeren Oberfläche des Rohlings mit dem größten Durchmesser und der inneren Oberfläche des Rohlings mit dem kleinsten Durchmesser, wobei die Randbereiche nachher für das Verschweißen mit den Fittings verwendet wurden. Die äußere Oberfläche des Rohlings mit dem größten Durchmesser und die innere Oberfläche des Rohlings mit dem kleinsten Durchmesser wurden durch eine Nickelschicht mit 15 μm Dicke geschützt. Die runden Rohlinge mit einem Nickelschutz wurden zu einer mehrlagigen Anordnung zusammengefügt, indem die Rohlinge ineinander eingefügt wurden. Die Anordnung wurde von zwei Seiten über deren Stirnseiten verschweißt und in einem Schritt von einer Presse gewellt. Der Fortgang des Prozesses erfolgte unter einem Druck von 145 atm. Der geformte Balg wurde einer Wärmebehandlung ausgesetzt. Dieser wurde in einem Ofen auf eine Temperatur von 1.000°C im Argonmedium erhitzt und nach dem Halten im Argonfluss gekühlt.
Zur Erkennung von Rissen wurde nach jedem Ziehschritt und nach dem Wellen eine Flüssigkeitsdurchdringungsüberprüfung durchgeführt. In allen Überprüfungsschritten wurden keine Risse in den Rohlingwänden und den gewellten Balgwänden festgestellt. Ebenfalls wurden keine Risse in der Schweißnaht nach dem Schweißen der Bälge an die Fittings festgestellt. Nach dem Schweißen an die Fittings wurden die nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellten Bälge auf ihre dauerhafte Festigkeit in einem Hochtemperaturgasfluss mit bis zu 80% Sauerstoff überprüft. Die Überprüfungen zeigten dann, dass sich die Festigkeitseigenschaften der Herstellung erst später verringerten als es in der Anforderung festgelegt worden war, nämlich in vier Stunden bei einem Standard von nicht weniger als drei Stunden.
Beispiel 2
Vier runde Rohlinge der Nickellegierung, die dieselben Bestandteile wie in Beispiel 1 beschriebenen enthielten, und mit einer Dicke von 1,0 mm und einem Durchmesser von 165 mm wurden einem Ziehen unter Verwendung eines Stempels mit dem Zugkoeffizienten von 0,693 unterzogen. Die erhaltenen runden Rohlinge wurden gemäß dem Ablauf aus Beispiel 1 wärmebehandelt. Die Schritte des Ziehens und der Arbeitsvorgang der Wärmebehandlung wurden 15 Mal wiederholt, bis die Rohlinge eine Länge von 550 mm und entsprechend 88, 85, 82 und 79 mm Durchmesser erreicht hatten. Die Wanddicke der Rohlinge lag bei 0,16 mm. Die Temperatur des Erhitzens und das Halten während der Wärmebehandlung lag bei 1.130°C. Die gestoßenen Rohlinge wurden durch eine Nickelschicht bedeckt, welche auf die Randbereiche der Flächen auf den Oberflächen in der in Beispiel 1 beschriebenen Art und Weise aufgetragen wurden. Die mehrlagige Anordnung der Rohlinge wurde von beiden Seiten über die Stirnflächen verschweißt und mit einem Arbeitgang der Presse gewellt. Dieser Prozess wurde unter einem Druck von 145 atm durchgeführt. Der geformte Balg wurde gemäß dem oben beschriebenen Prozess wärmebehandelt.
Untersuchungen wurden zur Auffindung von Rissen nach jedem Ziehschritt, nach dem Wellen der Rohlingeinheit und nach dem Schweißen der Bälge an die Fittings durchgeführt. Es wurden keine Risse in den Wänden der Balgrohlinge und in der Schweißnaht festgestellt. Die Überprüfung der dauerhaften Festigkeit wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt. Die Festigkeitseigenschaften verringerten sich erst nach 4,5 Stunden bei einem Standard von nicht weniger als drei Stunden.
Somit wurde das angegebene technische Ergebnis erreicht durch die Verwendung einer Kombination aus einer Wärmebehandlung sowohl für die runden Rohlinge als auch für die Bälge und der Aufbringung einer Schutzschicht auf dessen Wände.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen dünnwandigen Balges, folgende Verfahrensschritte umfassend: – das Stoßen runder metallener Rohlinge, wobei das Stoßen eines jeden Rohlings das Stoßen mit inneren und äußeren Flächen umfasst, die Randbereiche aufweisen; – das Ziehen eines jeden runden Rohlings; – das Packen der gezogenen runden Rohlinge zu einer mehrlagigen Anordnung mit Stirnseiten; – das Verschweißen der mehrlagigen Anordnung von beiden Seiten über die Stirnflächen; – das Wellen der mehrschichtigen Anordnung zur Bildung eines mehrschichtigen Balgs, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – das Stoßen eines jeden Rohlings aus einer aushärtbaren Nickellegierung, umfassend eine Verfestigungsphase; – Erhitzen der runden Rohlinge auf eine Temperatur zwischen 1.000 und 1.130°C; – das Halten jedes erhitzten Rohlings in einem Schutzmedium mit der oben genannten Temperatur so lange bis die Verfestigungsphase vollständig in der Legierung gelöst ist; – das Herunterkühlen des runden Rohlings auf eine Temperatur, bei der der Phasenübergang in der Legierung beendet ist; – Wiederholen der Schritte des Ziehens, Heizens, Haltens und Abkühlens bis eine gegebene Größe eines jeden Rohlings erreicht ist; – Wärmebehandeln des mehrschichtigen Balges einschließlich dessen Aufheizung auf eine Temperatur zwischen 1.000 und 1.130°C, Halten desselben in einem Schutzmedium bei dieser Temperatur und anschließendes Herunterkühlen auf die Temperatur der Beendigung des Phasenübergangs in dieser Legierung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schutzmedium verdünnte Luft unter einem Druck von 10 × 10^–9 bis 10 × 10^–3 mm Quecksilbersäule ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen der runden Rohlinge und der Bälge unter Inertgasspülung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Inertgas Argon vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Schutzgas ein Inertgas vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Inertgas Argon vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfestigungsphase aus Elementen besteht, die aus der Gruppe umfassend Niob, Titan, Wolfram und Molybdän ausgewählt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nickelschicht von 5 bis 15 μm Dicke auf die Randbereiche der äußeren und inneren Flächen der gezogenen runden Rohlinge aufgebracht wird, bevor die Wellung der Mehrschichtanordnung der runden Rohlinge hergestellt wird.