DK155506B - Fremgangsmaade og apparat til friktionsaktiveret ekstrusion - Google Patents

Description

DK 155506 B

Opfindelsen har relation til en kontinuerlig friktionsaktiveret ekstrusion af kobber og andre metaller; specielt det værktøj, der anvendes i forbindelse hermed, herunder enhver del af det apparat, der kommer i kontakt med det metal, der ekstrude-5 res.

De nævnte værktøjer indbefatter bl.a. anslag, stempler, matriceholdere og hjul til brug i forbindelse med konformprocessen - jvf. britisk patenskrift nr. 1.370.894 - eller den forbedre-10 de proces ifølge dansk patentansøgning nr. 558/81.

Sådanne værktøjer opererer under vanskelige forhold med meget høje og uensartede tryk, der tilføres under temperaturgradienter og uensartede strømninger af plastisk metal over værktøjets overflade. Specielle ståltyper, såsom stål med benævnelsen 15 H13, er hensigtsmæssige og udsættes ikke for brud og usædvanlig store deformeringer. Graden af slitage lader imidlertid meget tilbage at ønske, og værktøjer af disse materialer må typisk udskiftes efter ekstrusion af omkring 1 eller 2 ton kobbertråd af en diameter på 2,5 mm.

20 Hårde materialer, der kunne forventes at have en bedre slidstyrke ved driftstemperaturer (omkring 500-600°C ved ekstrusion af kobber) har vist sig at være uacceptable for andet end indsætningsmatricer, eftersom de har været årsag til brud un-25 der opstart, når temperaturerne og temperaturgradienterne er lavere, og spændingerne er højere. Som følge af de høje temperaturgrad i enter og de strenge begrænsninger på modtagelighed som følge af de høje tryk, er det ikke muligt at forvarme til noget, der ligner driftsforholdene, uden at der opstår spæn-30 dinger.

Tysk patentskrift nr. 917.485 omtaler anvendelsen af stempler til ekstrusion af stå 11 eger i nger med 5-6¾ nikkel, 13-14¾ chrom og andre specificerede ingredienser. Disse stål legeri nger sy-25 nes ikke at være mere tilfredsstillende end de konventionelle ståltyper, der anvendes ved friktionsaktiveret ekstrusion.

US Patentskrift nr. 4.085.605 beskriver visse "superlegeringer" til brug i en hydrostatisk ekstrusionsproces. Sådanne lege-

DK 155506B

2 ringer er nikkelbaseret og kan indeholde betydelige mængder af chrom og kobolt samt mindre mængder af andre elementer, og de har en strækspænding på omkring 1.000 MN/m2. Det er omtalt, at disse legeringer har en høj trækstyrke. Trækstyrken er imid-5 lertid ikke lige så høj som trækstyrken af konventionelt special stål.

Vi har nu konstateret, at visse nikkel legeringer, som synes at være uegnede til formålet som følge af, at de er betydelig mindre hårde end de konventionelle typer, og således også synes at have mindre slidstyrke, ikke kun er tilfredsstillende til formålet, men også klart udkonkurrerer de konventionelle stål typer.

Et apparat til kontinuerlig friktionsaktiveret ekstrusion er 15 ifølge opfindelsen ejendommeligt ved, at det har et værktøj, der ihvert fald til dels er fremstillet af en ældningshærdet nikkel-chrom-baseret legering med en flydespænding på mindst 1000 MN/m2 ved 20°C (ved en strækning på 0,2%), og som er i stand til at bære en vedhæftende oxidfilm.

20

Legeringen er fortrinsvis koldbearbejdet inden ældning til opnåelse af en flydespænding (efter koldbearbejdning og ældnings hærd ni ng) på mindst 1500 og fortri nsvis 1600 MN/m2 ved 20°C (ved en strækning på 0,2%).

25

Opfindelsen angår også en fremgangsmåde til friktionsaktiveret ekstrusion af kobber eller andre metaller, der er karakteriseret ved brugen af de nævnte - legeringer.

En foretrukken gruppe af legeringer er austenit nikkel-chrom-3 0 jern-legeringer, der er ældningshærdet ved udskillelse af en begyndende y-fase, og som tilfredsstiller styrkekravene. Den mest foretrukne legering består af 49-55% nikkel, 17-21% chrom, 2,8-3,3% molybdæn, 0,65-1,15% titan, 0,2-0,8% aluminium og resten jern bortset fra tilfældige urenheder. For disse le-35 geringer er graden af ko Idbearbejdning fortrinsvis mindst 45% beregnet som reduktionen i areal inden ældningshærdning. En legering af denne type fås fra Huntingdon Alloys, Inc., Hun

DK 155506 B

3 tingdon, West Virginia 25720, U.S.A. under varemærket Inconel som "inconel Alloy 718".

Andre legeringer som kan komme på tale er, Astrolloy D-979, 5 Rene 41, Rene 95 og Unitemp AF2-1DA og Udimets 720.

Opfindelsen skal nærmere forklares i det følgende under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser en konventionel konformmaskine (britisk patentskrift nr. 1.370.894), idet man ser et anslag og et stempel 10 fra siden og en del af et hjul i tværsnit, fig. 2 den i fig. 1 viste maskine set i snit efter linien II-II, fig. 3 og 4 et apparat ifølge dansk patentansøgning nr.

558/81.

15 .

fig. 5 og 6 det i fig. 3 og 4 viste anslag i to stillinger drejet i 90° i forhold til hinanden, fig. 7 og 8 selve matricen i to stilli nger drejet 90° i forhold til hinanden, og fig. 9 og 10 et kendt og et alternativt hjul set i snit.

20 I en konventionel konformmaskine - se fig. 1 og 2 - er et hjul 1 af en forholdvis stor diameter formet med en rektangulær rille 2, til dannelse af tre sider af en ekstrusionspassage 3.

Den fjerde side af passagen er dannet af en konstruktion om-25 fattende en sko 4 (hvoraf kun en lille del er vist) og et anslag 5.

En radiær ekstrusionsåbning 6 er formet i en matricedel 7 (som fortrinsvis er en separat komponent, selvom den også kan være 3q formet ud i ét med enten anslaget eller skoen). Matriceåbningen kan alternativt være formet tangentielt igennem selve anslaget. Skoen 4, anslaget 5 og matricedelen 7 er af materialer af høj styrke og de understøttes af kraftige understøtningsdele (ikke vist), og der er sædvanligvis tilvejebragt køleorga-35 ner. Spillerummet x imellem anslaget 5 og hjulet 1 sættes i almindelighed til den mindste værdi, som er forenelig med den termiske ekspansion og tolerancen på hjulets radius. I en typisk maskine med en rektangulær hjulrille, der er 9,6 mm bred

DK 155506B

4 og 14 mm dyb, er spillerummet angivet til at skulle ligge mellem 0,05 mm og 0,25 mm. Endvidere er der indrettet en skraber 8 til fra hjulet 1 at fjerne metalgrater, der er trængt ud gennem det smalle spillerum, således at graterne ikke føres 5 omkring hjulet 1 og påny trænger ind i ekstrusionspassagen 3.

I den i fig. 3 og 4 viste maskine er spillerummet y - se fig.

3 - større end nødvendigt til tilvejebringelse af den blotte ekstrusionspassage. Den vil normalt ikke være mindre end 1 mm ved det nærmeste punkt. I formen i fig. 3-8 er anslaget 11 halvcirkulært som vist i fig. 4 og for den samme hjulrille ligger spillerummet y fortrinsvis i området 1,5 til 2 mm, og middelafstanden over bredden af anslaget 11 er omkring 3,7 mm. Resultater er, at en betydelig del af metallet ekstruderer gennem spillerummet mellem anslaget 11 og hjulet 1 i form af et lag 12, der klæber til hjulet 1 og fortsætter omkring dette og påny føres ind i ekstrusionspassagen 3.

Som det bedst fremgår af fig. 5, er den krumme overflade 13 af anslaget 11 indsnævret i længderetningen til minimering af 20 kontaktarealet med det metal, der bearbejdes, i overensstemmelse med en passende styrke. En konusvinkel på 2-4° synes at være passende.

Som det fremgår af fig. 7 og 8, er matricedelen fortrinsvis en 25 simpel blok 14, der tilvejebringer en matriceåbning 15 (som kan være formet i en ringformet matriceindsætning), hvilken åbning frigøres af en modsat udboring 16 på den anden side til tilvejebringelse af et spillerum omkring det ekstruderede produkt.

3 0

To former for hjul 1 er vist i fig. 9 og 10. I det kendte arrangement, der er vist i fig. 9, omfatter hjulet to ydersek-tioner 17 og en indersektion 18, imellem hvilke sektioner ekstrusionspassagen 3 afgrænses. Kølekanaler 19 løber gennem 35 sektionerne 17 og 18, og nogle O-ringe 20 danner en tætning der, hvor sektionerne mødes. I det alternative arrangement i fig. 10, er passagens sidevægge afgrænset af nogle dele 21. Disse dele, der er lette at udskifte ved slitage, kan frem-

DK 155506 B

5 stilles af et andet materiale end ydersekt i onerne af hjulet og de tillader en termisk ekspansion i to planer.

Eksempel 1 5

En model "2D" konformmaskine leveret af Babcock Wire Equipment Limited havde en 9,5 mm bred rille og et anslag af den form, der er vist i fig. 1 og 2. Denne konformmaskine var beregnet til ekstrusion af aluminium, og det rapporteres, at den har arbejdet tilfredsstillende.

10 Når maskinen blev forsynet med pulverformet kobber (elektrisk ledende kvalitet i form af hakket tråd med en partikelstørrelse, der i middel er omkring 3 mm) ved omgivelsernes temperatur til dannelse af en enkelt tråd af en diameter på 2 mm, ændre-15 des den energi, der skulle tilføres for at effektuere ekstru-sionen (målt ved hjælp af drejningsmomentet til opretholdelse af en hjul hastighed på omkring 5 omløb pr. min.) drastisk inden for området 31-37 kNm. Ud af toogtyve korte forsøgskørsler var tretten afsluttet ved gradvist ophør af motoren eller an-20 dre sammenbrud inden for 2 min. De resterende blev stoppet efter omkring 10 min. som følge af indførte begrænsninger. Efter modifikation af anslaget til den i fig. 2, 3 og 4 viste form stabiliseredes den nødvendige ekstrusionenergi ved omkring 26 kNm, og en kontinuert kørsel på 1 time (begrænset af kapacite-25 ten af optageudstyret) kunne opnås.

Eksempel 2

En 30 mm kvadratisk stav af Inconel-legering 718 med følgende sammensæt n i ng: 30

Nikkel (plus kobolt) 50-55

Chrom 17-21

Niobium (plus tantal) 4,75-5,5

Molybdæm 2,8-3,3 35 Titam 0,65-1,15

Aluminium 0,2-0,8

Kobolt under 1

Carbon under 0,08

DK 155506 B

6

Mangan under 0,35

Silicium under 0,35

Phosphor under 0,015

Bor under 0,006 5 Kobber under 0,3

Jern og andre tilfælde urenheder balance blev varmsmedet til en nominalt 17 mm kvadratisk stav. Denne stav blev derefter koldvalset til et kvadrat på 12,5 mm.

i o

Den tilvirkede stav blev derefter skåret og slebet til dannelse af anslaget 11 og skåret, slebet og udboret til dannelse af matricedelen 14 for en friktionsaktiveret ekstrusionsmaskine af den form, der er vist i fig. 3-8 og af samme størrelse som i eksempel 1. Tilgangen til matriceåbningen 15 blev formet 15 ved koldsmedning (under anvendelse af en 50 ton presse) til opnåelse af et bearbejdningshærdet klokkemundstykke. Ans 1 åget og matricedelen blev ældningshærdet ved 720°C i 18 timer. Efter denne behandling havde værktøjet en flydespænding på omkring 1500 MN/m2 ved 20°C og en tynd fast belægning, der for 20 størstedelens vedkommende bestod af nikkeloxid dannet spontant under ældningshærdningen.

Dette værktøj ekstruderede 8 ton kobbertråd af en diameter på 2,5 mm, inden diameteren ændres med 1%. Matriceåbningen blev 25 derefter slebet til 2,65 mm, og yderligere 6 ton tråd af denne størrelse blev produceret. Matriceåbningen blev derefter fræset ud, og en keramisk indsætningsmatrice indpasset, og yderligere 2,5 mm kobbertråd blev ekstruderet. Da matriceåbningen var blevet meget slidt, var der ikke noget tydeligt slid på 30 andre overflader, og åbningen blev tilstoppet og matricedelen formet med en ny matriceåbning i den anden ende, tilpasset den modsatte vej og genanvendt.

Ved at anvende de hjul, der er vist i fig. 9 og 10, i hvilke 35 materialet af hjuldelene, som afgrænser ekstrus i onspassagen, er af den samme legering, er der opnået yderligere forbedringer i henseende til ydeevne.

Claims (11)

1. Apparat til kontinuerlig friktionsaktiveret ekstrusion, 5 kendetegnet ved et værktøj, der i hvert fald til dels er fremstillet af en ældningshærdet nikkel-chrom-baseret legering med en f1 ydespænd ing på mindst 1000 MN/m2 ved 20°C (ved en strækning på 0,2%), og som er i stand til at bære en vedhæftende oxidfilm. 10

2. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den nikkel-chrom-baserede legering er ko Idbearbejdet og har en flydespænding (efter koldbearbejdning .og ældning) på mindst 1500 MN/m2 ved 20°C (ved en strækning på 0,2%).

3. Apparat ifølge krav 2, kendetegnet ved, at den nikkel-chrom-baserede legering efter koldbearbejdning og ældningshærdning har en f 1 ydespænd i ng på mindst 1600 MN/m2 ved 20°C (ved en strækning på 0,2%).

4. Apparat ifølge krav 1-3, kendetegnet ved, at le geringen udgøres af en austenit nikkel-chrom-jernlegering, der er ældningshærdet ved udskillelse af en γ-begyndelsesfase.

5. Apparat ifølge krav 5, kendetegnet ved, at au- stenitlegeringen udgøres af 49-55% nikkel, 17-21% chrom, 4,75-25 5,5% niobium og/eller tantal, 2,8-3,3% molybdæn, 0,65-1,15% titan, 0,2-0,8% aluminium og resten jern bortset fra tilfældige urenheder.

6. Fremgangsmåde til kontinuerlig friktionsaktiveret ekstru-30 sion, kendetegnet ved, at der anvendes et værktøj, der i hvert fald til dels er fremstillet af en ældningshærdet nikke1chrom-baseret legering med en f1 ydespænd ing på mindst 1000 MN/m2 ved 20°C (ved en strækning på 0,2%), og som er i stand til at bære en vedhæftende oxidfilm. 35

7. Fremgangsmåde ifølge krav 6, kendetegnet ved, at den nikkel-chrom-baserede legering er ko 1dbearbejdet og har en f1ydespænding (efter koldvalsning og ældning) på mindst 1500 MN/m2 ved 20°C (ved en strækning på 0,2%). DK 155506B t δ

8. Fremgangsmåde ifølge krav 6, til kontinuerlig friktionsaktiveret ekstrusion af kobber, k e n d e t e g n e t ved, at værktøjet i hvert fald til dels er fremstillet af en koldbear-bejdet og ældningshærdet nikkel-chrom-baseret legering med en 5 flydespænding som efter koldbearbejdning og ældningshærdning er mindst 1500 MN/m2 ved 20°C (ved en strækning på 0,2%).

9. Fremgangsmåde ifølge krav 6-8, kendetegnet ved, at legeringen har en en flydespænding på mindst 1600 MN/m2 ved 10 20°C-

10. Fremgangsmåde ifølge krav 6-9, kendetegnet ved, at legerigen er en austenit nikkel-chrom-jernlegering, der er ældningshærdet ved udskillelse af en begyndende γ-fase.

11. Fremgangsmåde ifølge krav 10, kendetegnet ved, at austenitlegeringen består af 49-55% nikkel, 17-21% chrom, 4,75-5,5% niobium og/eller tantal, 2,8-3,3% molybdæn, 0,65-1,15% titan, 0,2-0,8% aluminium og resten jern bortset fra tilfældige urenheder. 20 25 30 35