DK163804B - Fremgangsmaade til fremstilling af roer af rustfrit staal og anvendelse af fremgangsmaaden til fremstilling af flerlagsroer - Google Patents

Description

DK 163804 B

-1 -

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til fremstilling af rør af rustfrit stål, der har en ensartet struktur samt ensartede fysiske og kemiske egenskaber og en god bearbejdelighed, hvor pulver af sådant stål, der består af overvejende sfæriske partikler, og som er fremstillet ved 5 forstøvning af en smelte i en inertgas, fyldes i metalliske kapsler, og hvor de tillukkede kapsler presses koldt eller varmt ved hjælp af et alsidigt virkende, isostatisk tryk, og det således tilvejebragte presseemne videreforarbejdes.

Fra DE-fremlæggelsesskrift 21 04 708 kendes allerede en frem-io gangsmåde til pulvermetallurgisk fremstilling af halvfabrikata, der tjener til den videre bearbejdning, fx. ved valsning, smedning eller spåntagende formgivning, hvor pulver overvejende sfæriske partikler indesluttes i en metallisk kapsel og forvarmes til mellem 300° og 650°C i en forvarmningsovn under samtidig afgasning ved hjælp af en va-15 kuumpumpe og efter tillukning af kapslen opvarmes til en høj, nær tryksintertemperaturen liggende temperatur og komprimeres i et højtrykskammer ved hjælp af en alsidigt virkende, isostatisk varmpresning af det i kapslen indesluttede pulver ved mindst 1000 bar ved hjælp af tryksintring til halvfabrikatet. Til den isostatiske varmpres-20 ning anvendes der som trykmedium inertgas, især argongas. Den kendte fremgangsmåde blev afprøvet ved fremstilling af highspeed-stål, som fx. indeholder 1,25% C, 4% Cr, 6,3% W, 5% Mo, 3,4% V og 8,7% Co, og som tryksintres varmisostatisk ved temperaturer på mellem 1050° og 1175° C til halvfabrikatet. For at lette opvarmningen af det i kap-25 sierne indesluttede pulver presses metalpulveret ved fremstillingen af store cylindriske legemer, som fx. skal erstatte en støbeblok til valsning og fx. kan have en diameter på 45 cm, ved en isostatisk koldpresning af de lukkede kapsler ved et tryk på mellem 2500 og 6000 bar i kapslen. Ved den kendte fremgangsmåde er det målet med den isosta-3 0 tiske koldpresning at forhøje pulverets varmeledningsevne og dermed at forkorte dets opvarmningstid, hvor forøgelsen af pulverets tæthed ikke tillægges nogen betydning. Som det fremgår af fig. 6 i DE-fremlæggelsesskrift 21 04 708 tilnærmer det på forhånd pressede pulvers tæthed sig ved stigende tryk asymptotisk en maksimalværdi på ca. 5,95 * 35 g/cm , hvoraf der for det på forhånd pressede pulver kan beregnes en maksimal tæthed på ca. 74% af den teoretiske tæthed, når der for highspeed-stål antages en tæthed på ca. 8 g/cm3.

DK 163804B

-2- : Den førnævnte fra DE-fremlæggelsesskrift 21 04 708 kendte fremgangsmåde, som hyppigt benævnes ASEA-STORA-fremgangsmåden, er også beskrevet i tidsskriftet “Stahl und Eisen 90” (1970) nr. 19, siderne 1046 og 1047, hvoraf det fremgår, at fremgangsmåden blev udviklet 5 til fremstilling af krystalliseringsfattigt, rustfrit stål, men er kun blevet afprøvet ved fremstillingen af highspeed-stål, hvor der blev fremstillet kompakte legemer med en vægt på ca. 1,3 T, der blev smedet eller valset til de ønskede dimensioner. Den kendte fremgangsmåde har den ulempe, at den isostatiske varmpresning, som finder sted i et højtryks-io kammer med inertgas som trykmedium, er meget tidsrøvende og meget kostbar.

I publikationen af N.R. Gardner, Alan D. Donaldson og Frank M. Yans med titlen “The Extrusion of Metal Powders” i bogen “Perspektives in Powder Metallurgy”, bind 1, (1967), siderne 170 - 173, er der 15 beskrevet strengpresning af stænger og rør og specialprofiler af metalpulver, hvor pulveret i det 1. fremgangsmådeskridt blandes, såfremt det drejer sig om legeringer, og i 2. fremgangsmådeskridt underkastes pulveret en forkomprimering med henblik på at tilvejebringe et presselegeme, som i 3. fremgangsmådeskridt overføres til en metallisk 20 kapsel, som i 4. fremgangsmådeskridt evakueres og aflukkes tæt. I 5. fremgangsmådeskridt opvarmes det i kapslen anbragte presselegeme, og i 6. fremgangsmådeskridt strengpresses det. For at sikre, at deformationen af det i kapslen indesluttede presselegeme ikke fører til en dannelse af folder i kapslen, udformes stemplet i strengpressen ved 25 strengpresning af stænger således, at det trænger ind i det indre af den cylindriske kapsel, hvorved der skal undgås en dannelse af folder. Den dér anviste måde til forhindring af foldningsdannelse af kapslen har i praksis ringe værdi, og har den ulempe, at kapslen rives op, og luft kan trænge ind.

30 Der er fremsat forskellige, yderligere forslag til at løse problemet med foldningsdannelse af kapslen, men hidtil har ingen af disse forslag givet etøkonomisk og teknisk tilfredsstillende resultat. Således er det fx. blevet foreslået at koldpresse kapslen mekanisk, efter at pulveret er påfyldt og kapslen lukket. Denne metode har imidlertid til følge, at 35 resultatet på grund af de optrædende friktionskræfter mellem kapslen og det mekaniske værktøj, som anvendes ved koldpresningen, ikke er tilfredsstillende, især når længden af kapslen forholder sig til dens dia- -3 -

DK 163804B

meter med en faktor større end l.Som følge af friktionskræfterne bliver den opnåelige tæthed også for lille og varierer over længden af presselegemet, hvilket bl.a. fører til ugunstige forhold ved opvarmningen af presselegemet før strengpresningen.

5 Den yderligere kendte teknik fremgår af DE-patentskrift 17 58 540; af F. Eisenkolb, “Einfiihrung in die Werkstoffkunde”, bind V, 2. oplag, 1967, side 58 og 60, af R. Kiefer og W. Hotop, “Pulvermetallugie und Sinterwerkstoffe” 1948, s. 23 - 25; af F. Eisenkolb, “fortschritte der Pulvermetallurgie”, 1963, bind I, s. 290 - 292, 327, 328; samt af DE-10 fremlæggelsesskrift 15 39 848. I ingen af disse trykskrifter beskrives anvendelsen ifølge opfindelsen af pulvermetallurgi med det formål at fremstille rør af rustfrit stål med de i indledningen til patentkrav 1 anførte egenskaber.

I DE-patentskrift 17 58 540 er der tale om stænger, rør eller tråd, 15 der formes under anvendelse af formstofkapsler ved presning, men det drejer sig imidlertid her især om legeringer, som ikke er plastisk bearbejdelige. Som eksempler nævnes her legeringer af jern-aluminium med stort Al-indhold og af jern-nikkel-kobolt med stort Ni-og Co-indhold. Disse jernlegeringer falder imidlertid ikke ind under 20 gruppen af rustfrie ståltyper.

I F. Eisenkolb, “Einfiihrung in die Werkstoffkunde”, bind V, 2. oplag, 1967, side 58 og 60 beskrives kun i almindelighed formen af pulverpartiklerne og de teknologiske egenskaber ved metalpulvre, men uden at gå ind på noget specielt legeringspulver eller på fremstillingen 25 af rør under anvendelse af sådant pulver.

Også de i R. Kiefer og W. Hotop, “Pulvermetallugie und Sinterwerkstoffe” 1948, s. 23 - 25, tabel 3, anførte angivelser under “c) skøre legeringer” (bl.a. Fe-Cr-pulver) giver ingen inspiration til fremstillingen af rør af rustfrit stål, da der under anvendelsen nævnes 30 “sintermagneter og maskindele af sintrede Fe-legeringer”.

I F. Eisenkolb, “Fortschritte der Pulvermetallurgie”, 1963, bind I, s.

290 - 292, 327, 328 er der under strengpresning af metalpulvre på side 327 kun nævnt aluminium, magnesium, titanlegeringer, men ikke rustfrit stål.

35 Heller ikke i DE-fremlæggelsesskrift 15 39 848 er der nogen henvisning til den særlige fremstillingsmåde af flerlagsrør af rustfrit stål (jvf. krav 5), der er i dette trykskrift snarere beskrevet anbringelsen -4 -

DK 163804 B

af skillevægge til de til fremstillingen af et flerlagshalvfabrikat til kontaktstykker nødvendige, forskellige pulverkvaliteter.

Til grund for den foreliggende opfindelse ligger den opgave på basis af den indledningsvis beskrevne, kendte fremgangsmåde til pulver-5 metallurgisk fremstilling af halvfabrikata at tilvejebringe en forbedret, økonomisk og teknisk tilfredsstillende fremgangsmåde til fremstillling af rør af rustfrit stål, hvor der opnås rør, som er fejlfri, især fri for overfladefejl.

Denne opgave løses ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen ved, 10 at stålpulveret komprimeres i en af en yder- og en inderkappe bestående, tyndvægget kapsel med ringformet tvær-snit af duktilt metal, som har en vægtykkelse på mellem 0,1 - 5 mm, dog maksimalt 5% af kapslens yderdiameter, ved vibration og/eller ultralyd til ca. 60 - 70% af den teoretiske tæthed og komprimeres yderligere ved isostatisk 15 koldpresning af kapslen ved hjælp af et tryk på mindst 1500 bar til mindst 80% af den teoretiske tæthed, hvor det ved den isostatiske koldpresning fremstillede presseemne opvarmes og derpå i varm tilstand sammen med kapselmaterialet som et ydre overfladelag streng-presses til rør.

20 Fremgangsmåden ifølge opfindelsen angiver for det første en økonomisk og teknisk tilfredsstillende måde til pulvermetallurgisk fremstillling af rør af rustfrit stål, hvor der undgås en krølning eller en foldningsdannelse af kapslen, og hvor de frembragte rør er fejlfrie, især fri for overfladefejl. Endvidere udmærker fremgangsmåden ifølge 25 opfindelsen sig ved, et lavt energiforbrug, da den meget tidsrøvende og kostbare, isostatiske varmpresning, som forårsager et stort energiforbrug, bortfalder. Som følge af disse fordele muliggør fremgangsmåden ifølge opfindelsen en omkostningsgunstig, pulvermetaalurgisk fremstilling af strengpressede rør af rustfrit stål, der på overraskende 3 0 måde også er mere økonomisk end den fremgangsmåde, som hidtil almindeligvis er blevet anvendt ved fremstillingen af strengpressede rør af rustfrit stål på basis af støbte blokke, hvilket fremgår af sammenligningen i den følgende tabel.

35

DK 163804 B

-5 -

Kendt fremgangsmåde Fremgangsmåden ifølge opfindelsen

5 Udgangsmængde 2,78 T 1,70 T

Udbytte Opnået Energi- Udbytte Opnået Energi-

Fremgangsmåde- mængde forbrug mængde forbrug skridt [%] [T] [kWh] [%] [T] [kWh] 10 Smeltning 77 2,14 2168 77 1,31 1326 støbning af blokke 90 1,93 *}

Valsning til rundmateriale 85 1,64 2304 -

Forstøvning 15 til pulver - - - 95 1,24 *»

Fremstilling af presselegemer ved 72 1,18 afsavning og boring af rundmaterialet 20 Fremstilling af presselegemer ved - - - 96 1,19 isostatisk presning af pulveret Srengpresning 25 til rør 85 1,0 1000 85 1,0 1000 TOTALT 36 1,0 5472 58 1,0 2326 30 Ved fremstillingen af rør af rustfrit stål ved strengpresning udstø-bes den ved den almindeligt kendte fremgangsmåde, af rustfrit stål bestående smelte, som fx. fremstilles af skrot, til støbeblokke og valses derpå til rundmateriale, af hvilket der ved afkortning og udboring af kernen fremstilles presselegemer, som derpå strengpresses til rør. Som 35 det ses af tabellen, udgør udbyttet af færdige rør i forhold til det som udgangsmateriale anvendte skrot ved den kendte fremgangsmåde ca. 36%, dvs. der skal anvendes ca. 2,78 T rustfrit skrot for at fremstille 1 -6-

DK 163804 B

T rør, hvorunder der forbruges 5472 kWh energi. I modsætning hertil udgør udbyttet ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen ca. 58%, dvs. at der til fremstilling af 1 T rør skal anvendes ca. 1,70 T skrot og også kun 2326 kWh. Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen udgør mate-5 rialeforbruget altså kun ca 61% og energiforbruget kun ca. 42% af den kendte fremgangsmåde; besparelserne er væsentlige. De føranførte værdier gælder for fremstillingen af rør af rustfrit stål i dimensioner mellem ca. 30 mm og 100 mm yderdiameter og ca. 3 - 10 mm vægtykkelse.

io Hvis man vil opnå et upåklageligt rør med gode fysiske og kemiske egenskaber, er det vigtigt, at pulveret har et lavt iltindhold, hvilket opnås ved, at der anvendes pulver af rustfrit stål, der er fremstillet ved forstøvning af smelte i en inertgas. Som følge af de overvejende sfæriske partikler af pulveret opnås der ved hjælp af vibrering og/el-15 lerultralyd en stor fyldningstæthed i kapslen, hvilket for opfindelsen er en overordentlig vigtig egenskab.

Det er fordelagtigt at anvende et pulver med en partikeldiameter på mindre end 1 mm, fortrinsvis mindre end 0,6 mm (600 μπι), da det derved sikres, at det anvendte pulver ikke har nogen inertgasindeslut-20 ninger.

Den med pulver fyldte og tillukkede metalliske kapsel udsættes ved isostatisk koldpresning for et tryk på fortrinsvis mindst 5000 bar.

Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen komprimeres pulveret på hensigtsmæssig måde i metalliske kapsler, hvis vægtykkelse ligger på 25 ca. 0,1 - 5 mm, fortrinsvis mellem ca. 0,2 og 3 mm.

Det har vist sig, at forholdet mellem kapslens vægtykkelse og dens yderdiameter, der ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen andrager maksimalt 5%, er kritisk og fortrinsvis kan vælges under 3%, og hensigtsmæssigt under 1%, hvor de høje procenttal skal komme i an-30 vendelse ved relativt små diametre, og de små procenttal skal komme i anvendelse ved store diametre.

På grund af det alsidige tryk ved den koldisostatiske presning får presseemnet en hovedsagelig ensartet tæthed over hele sin længde. Da tætheden stiger stærkt, forbedres også muligheden for at foretage en 35 opvarmning af presseemnet på kort tid i en induktionsovn. Efter opvarmningen strengpresses kapslen. Der kan anvendes metalliske kapsler af stål med lavt kulstofindhold. Kapselmaterialet udtrækkes ved

DK 163804 B

-7 - strengpresningen til et meget tyndt lag. Ved udtræden fra strengpressen oxideres laget i luften og skaller delvis af. Resten af kapselmaterialet fjernes ved efterfølgende glødning, ved bejdsning i salpetersyre eller ved sandblæsning. Derefter kan røret viderebearbejdes på kendt måde.

5 Til fremstillingen af rør med en permanent overfladebelægning er metalliske kapsler af et overfladekvalitetsforbedrende materiale, især nikkel, velegnede. I denne forbindelse kan man i forvejen bestemme tykkelsen af den af et overfladekvalitetsforbedrende materiale bestående overfladebelægning ved passende valg af kapslens vægtykkel-io se. Som kapselmateriale til fremstilling af sådanne overfladelag egner sig navnlig højduktilt nikkel.

Ved anvendelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen til fremstilling af flerlagsrør af rustfrit stål og et yderligere højlegeret stål anvendes kapsler med en eller flere koncentriske og udtagelige skills levægge, hvis mellemrum er blevet fyldt med pulverpartikler af de forskellige stålkvaliteter. Efter påfyldningen og vibreringen af pulveret tages skillevæggene ud. Pulveret indesluttes i den af højduktilt, metallisk materiale bestående kapsel med eller uden evakuering. Derpå udsættes den lukkede kapsel for en isostatisk koldpresning med et tryk 20 på mindst 1500 bar, men dog fortrinsvis med større tryk på fx. 5000 bar, hvorved tætheden forøges fra 60 - 70% til 80 - 93% af den teoretiske tæthed. Som følge af pulverets store udgangstæthed krøller kapslen ikke under koldpresningen og strengpresningen, selv om der anvendes en tynd metallisk kapsel, hvilket er vigtigt af økonomiske 25 grunde.

I det følgende beskrives opfindelsen nærmere ved hjælp af nogle udførelseseksempler.

EKSEMPEL! 3 0 Argonatomiseret rustfrit pulver med sfærisk kornform og en komstørrelse på under 600 pm og med et lavt totalt oxygenindhold fyldtes i en rørformet kapsel og vibreredes. Kapslen var udformet som ringlegeme med en yderdiameter på ca. 140 mm og bestod af et stål med lavt kulstofindhold. Vægtykkelsen androg 3 mm og længden 550 35 mm. Den ringlegemelignende kapsel udviste et centralt, gennemgående rørafsnit med omtrent samme vægtykkelse og samme stålkvalitet som -8-

DK 163804 B

kapslens yderkappe. Kapselmaterialets ringe kulstofindhold var nødvendigt for at forhindre en opkulning af pulveret under opvarmningen og strengpresningen.

Kapslen evakueredes og tillukkedes på kendt måde. Derefter ud-5 sattes kapslen for et koldisostatisk tryk ved, at den blev nedsænket i en væske (i det foreliggende tilfælde vand) og udsattes for et alsidigt tryk på 5000 bar. Derved krympede kapslen, og pulverets tæthed steg fra ca. 68% til ca. 90%, uden at kapselmaterialet rynkedes.

Som forklaring skal nævnes, at man med henblik på en sam-io menligning underkastede en lignende kapsel (som i eksempel 1), ikke et koldisostatisk tryk, men en normal koldpresning, dvs. en komprimering i en mekanisk presse. Derved opnåedes en tæthed af pulveret på 75% af den teoretiske tæthed, til trods for at der blev anvendt dobbelt så højt tryk som i eksempel 1.

15 Det ved koldisostatisk tryk fremstillede presseemne opvarmedes derefter i en forvarmningsovn til 900°C og derefter i en induktionsspole til 1240°C, hvorefter presseemnet blev strengpresset til et sømløst rør. Røret afkøledes i vandbad og kapselmaterialet fjernedes i et salpetersyrebad.

20 Det til sammenligning i en mekanisk presse fremstillede pres seemne opvarmedes og blev strengpresset på samme måde. Efter at kapselmaterialet var fjernet, var resultatet et ubrugeligt rør. På grund af de ved presningen fremkomne folder opstod der revner og andre materialefejl, som udelukkede en anvendelse af røret.

25 EKSEMPEL 2

Der blev fremstillet et flerlagsrør af rustfrit stål (18-18-Cr-Ni-stål) og et stål indeholdende 25% Cr på følgende måde: I en kapsel af stål med lavt kulstofindhold (svarende til eksempel 30 1) med et gennemgående centralrør indførtes der et tyndvægget rør i den halve afstand mellem yder- og indervæggen af kapslen. I det ydre mellemrum påfyldtes under samtidig vibrering et sfærisk pulver af stål med 25% Chrom og med stort indhold af silicium og aluminium. Pulverets partikkelstørrelse var mindre end 600 pm. Opmærksomhe-35 den skal henledes på, at et presselegeme af denne kvalitet er overordentligt vanskeligt at fremstille efter kendte, dvs. smeltemetallurgi-ske fremgangsmåder. Den beskrevne pulvermetallurgiske fremstilling

DK 163804 B

- 9 - er imidlertid særligt egnet og giver kvalitativt gode flerlagsrør, hvilket er af stor industriel betydning. I det indre mellemrum påfyldtes under samtidig vibrering et sfærisk pulver af et rustfrit chrom-nikkel-stål (18% Cr og 8% Ni) med en partikkelstørrelse mindre end 600 pm. Efter 5 fjernelse af skillevæggen og efter evakuering samt efter aflukningen af kapslen udsattes denne for et koldisostatisk tryk på 5000 bar. Derpå opvarmedes presselegemet og blev strengpresset til et sømfrit rør, som beskrevet i eksempel 1. Kapselmaterialet fjernedes ligeledes i et salpetersyrebad. En undersøgelse af flerlagsrøret viste, at strukturen var ίο fuldstændig tæt og ensartet. I overgangsområdet mellem der to ståltyper var bindingen uden fejl. Den fejlfrie fremstilling af et sådant flerlagsrør har hidtil ikke været mulig med de kendte fremgangsmåder.

EKSEMPEL 3 is Samme pulver og kapselmateriale som i eksempel 1 udsattes ikke for en isostatisk presning, men opvarmedes direkte til ca. 1200° C og blev strengpresset til et færdigt rør. Røret udviste kraftige overflade-beskadigelser som kunne føres tilbage til foldning af kapslen, hvilket på sin side var en følge j af pulverets lave udgangstæthed. Forsøget vi-20 ser, altså, at en fortætning af presseemnet før strengpresningen er nødvendig for at eliminere det kendte fænomen med foldning af kapslen og dermed undgå forekomsten af overfladefejl på rørene.

EK.2EMEEL4 25 Af otte kapsler fyldtes fire med rustfrit stålpulver med uregelmæssig kornform (vandatomiseret pulver) og fire med rustfrit pulver af sfærisk kornform (inertatomiseret pulver). Kapslerne udsattes for et koldisostatisk tryk mellem 2000, 4000, 6000 og 8000 bar, hvilket gav tætheder ifølge diagrammet på figuren. De fire kapsler, som 3 0 var fyldt med pulver med uregelmæssig form, udviste kraftige foldningsfænomener på kapseloverfladen. Kapslerne med det sfæriske pulver havde derimod ingen fejlfænomener.

Disse eksempler viser, at det er nødvendigt at anvende sfærisk pulver, som giver en høj fyldningstæthed, når man vil undgå foldning 3 5 eller andre fejl ved anvendelsen af koldisostatisk tryk ved presning til tætheder på over 80%.

Claims (5)

1. Fremgangsmåde til fremstilling af rør af rustfrit stål, der har en ensartet struktur samt ensartede fysiske og kemiske egenskaber og en god bearbejdelighed, hvor pulver af sådant stål, der består af overvejende sfæriske partikler, og som er fremstillet ved forstøvning af en 5 smelte i en inertgas, fyldes i metalliske kapsler, og hvor de tillukkede kapsler presses koldt eller varmt ved hjælp af et alsidigt virkende, iso-statisk tryk, og det således tilvejebragte presseemne videreforarbej-des, kendetegnet ved, at stålpulveret komprimeres i en af en yder-og en inderkappe bestående, tyndvægget kapsel med ringformet tvær-10 snit af duktilt metal, som har en vægtykkelse på mellem 0,1-5 mm, dog maksimalt 5% af kapslens yderdiameter, ved vibration og/eller ultralyd til ca. 60 - 70% af den teoretiske tæthed og komprimeres yderligere ved isostatisk koldpresning af kapslen ved hjælp af et tryk på mindst 1500 bar til mindst 80% af den teoretiske tæthed, hvor det ved 15 den isostatiske koldpresning fremstillede presseemne opvarmes og derpå i varm tilstand sammen med kapselmaterialet som et ydre overfladelag strengpresses til rør.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at pulveret komprimeres i metalliske kapsler, hvis vægtykkelse ligger mellem 0,2 20 og 3 mm.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at der anvendes metalliske kapsler af stål med lavt kulstofindhold.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at der til fremstilling af rør med en permanent overfladebelægning anvendes 25 metalliske kapsler af et overfladeforbedrende materiale, især nikkel.

5. Anvendelse af fremgangsmåden ifølge krav 1 eller 2 til fremstilling af flerlagsrør af rustfrit og et yderligere, højlegeret stål i kapsler med en eller flere koncentriske og udtagelige skillevægge, hvis mellemrum er blevet fyldt med pulverpartikler af de forskellige stålkvali- 30 teter.