EP0364430A1 - Vormaterial für die Erzeugung von Verbundwerkstoffen - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a starting material for the production of composite parts by hot forming or by hot isostatic pressing, consisting of a tubular outer part, which optionally forms a component of the composite part after the forming, and at least one core or inner part made of solid and / or powdery material exists, which forms the further component (s) in the finished product, and two closure parts arranged on the end face of the tubular outer part, which optionally have a gas connection, and a method for producing the primary material.
- Composite materials are advantageously used for machine parts and tools, to which different requirements such as chemical resistance and hardness or strength or wear resistance and toughness are made at the same time.
- Such composite materials can be created by fusion welding plating and the like, or by a metallic connection of two or more parts by hot forming.
- Composites with an inner component and an outer component that surrounds it, in particular largely concentrically arranged, can be advantageously and inexpensively produced from primary material, in which the outer part simultaneously serves as a capsule shell, with only capsule bottoms or closure parts being welded on the end face to the outer part.
- the disadvantage here is that if the outer part consists of a material that is difficult to weld or can only be welded with appropriate preheating, such as Cold work steels (e.g.
- additional measures such as the application of so-called buffer welding systems with intermediate annealing of the entire outer part and cleaning or descaling, especially in the heat-affected zone, are required before the closure parts can be welded gas-tight and the weld seam even during heating of the primary material to processing temperature remains crack-free and does not induce any cracks in the base material.
- Such additional measures are very complex and usually do not provide sufficient production security. For this reason, and because some special materials may not be able to be connected to the closure parts by fusion welding if the requirements are met, it is often necessary to produce primary material by welding the parts to be connected into a lost capsule made of weldable material.
- the invention is based on the object of avoiding the above disadvantages and of creating in a simple manner a starting material for the production of composite material parts and a method for producing the starting material.
- the invention consists in that closure parts at least partially in a tubular, preferably in the closure area with step-shaped wall cross-section protrude, whereby on the mating surfaces, which are made with a roughness or roughness RA of at most 200 microns, preferably at most 10 microns, in particular 4 microns, there is a surface pressure and the closure parts, optionally outside, holding devices, such as Pins, blind holes, and the like.
- the closure parts are formed from a material that is at least one of the same, in particular one has a higher coefficient of thermal expansion, preferably higher thermoforming capacity, with essentially the same resistance to deformation at the processing temperature of the primary material and a softening temperature exceeding this temperature by at least 90 ° C. and, if appropriate, the residual cavities in the primary material are filled with inert gas or evacuated.
- the closure parts consist of an austenitic alloy, in particular of a chromium-nickel steel or of a manganese steel or of a nickel-manganese steel.
- the process for the production of the primary material consists essentially in the fact that in a tubular outer part, which may optionally be heated beforehand, a closure part which is at a temperature lower than at least 50 ° C., preferably 100 ° C., in particular 150 ° C. the outer part has been brought, inserted and held until the temperature is equalized, after which one or more inner parts (s), optionally compressed in powder form by methods known per se, are (are) introduced into the outer part which is closed and a second closure part after the same insertion method is fixed in the outer part, if necessary by means of a gas connection, inert gas is introduced into the residual cavities in the primary material or these are evacuated, after which the gas connection is closed. It is advantageous if the outer part is at room temperature left and an adjustment of the temperature difference is carried out by cooling the closure parts in a cooling medium, for example liquid air or liquid nitrogen.
- a cooling medium for example liquid air or liquid nitrogen.
- a fixed inner part (2) is introduced into an outer part (1), in which the closure parts (3) partially protrude at the end.
- the fitting surfaces (4) are formed by a stepped wall cross section of the outer part and cooperate with those of the closure parts.
- the closure parts (3) have mounting devices (7), one closure part has a gas connection (5).
- One of the remaining cavities (6) in the primary material is formed between the outer part (1) and the inner part (2).
- a starting material for the production of a three-component composite part is shown, being between a fixed core part (2), which is held in positioning points (10) by closure parts (3) and an outer part (1), in which the Closure parts (3) protrude, a powdery intermediate part (9) is arranged.
- the closure part (3) which carries a gas connection (5), has a mounting device designed as a blind hole.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Vormaterial für die Herstellung von Verbundwerkstoffteilen bestehend aus einem rohrförmigen Außenteil und mindestens einem Kern oder Innenteil und zwei am rohrförmigen Außenteil stirnseitig angeordneten Verschlußteilen sowie einem Verfahren zur Herstellung des Vormaterials. Hiezu ist vorgesehen, daß die Verschlußteile zumindest teilweise in den Außenteil ragen, wobei an den Paßflächen eine Flächenpressung herrscht und im Vergleich mit dem Werkstoff des Außenteiles die Verschlußteile aus einem Werkstoff mit mindestens gleichem Ausdehnungskoeffizienten und mit im wesentlichen gleichen Formänderungwiderstand sowie einer höheren Erweichungtemperatur gebildet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht ein Einschrumpfen der Verschlußteile in den rohrförmigen Außenteil mit einer gegebenenfalls nachfolgenden Evakuierung oder Füllung mit Inertgas der Resthohlräume vor.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Vormaterial für die Herstellung von Verbundwerkstoffteilen durch Warmumformung oder durch heißisostatisches Pressen, bestehend aus einem rohrförmigen Außenteil, der gegebenenfalls nach der Umformung, eine Komponente des Verbundteiles bildet, und mindestens einem Kern oder Innenteil, der aus festem und/oder pulverförmigem Material besteht, welcher im Fertigprodukt die weitere(n) Komponente(n) bildet, und zwei am rohrförmigen Außenteil stirnseitig angeordnete Verschlußteile, die gegebenenfalls einen Gasanschluß aufweisen sowie ein Verfahren zur Herstellung des Vormaterials.
- Verbundwerkstoffe werden vorteilhaft für Maschinenteile und Werkzeuge eingesetzt, an welche gleichzeitig unterschiedliche Anforderungen , wie beispielsweise chemische Beständigkeit und Härte bzw. Festigkeit oder Verschleißfestigkeit und Zähigkeit, gestellt werden. Eine Schaffung solcher Verbundwerkstoffe kann durch Schmelzschweißplattieren und dgl. oder durch eine metallische Verbindung von zwei oder mehreren Teilen durch Warmumformung erfolgen.
- Bei Herstellung einer metallischen Verbindung durch Warmumformung werden zumeist einzelne Teile in eine Kapsel eingebracht ( vgl. CH-A-227 631), diese gasdicht verschweißt ( vg. US-A- 4 640 815) und ein Resthohlraum in der Kapsel mittels eines Gasanschlusses für ein Erreichen einer ausreichenden metallischen Verbindung bzw. zur Vermeidung einer Oxidation der Oberfläche der Teile beim Erhitzen auf Verformungstemperatur mit Inertgas gefüllt oder insbesondere evakuiert, worauf dieser verschlossen wird ( vgl. EP-A-0114593).
- Verbundwerkstoffe mit einer Innenkomponente und einer diese umschließende, insbesondere weitgehend konzentrische angeordnete Außenkomponente sind vorteilhaft und kostengünstig aus Vormaterial herstellbar, bei welchem der Außenteil gleichzeitig als Kapselmantel dient, wobei auf den Außenteil lediglich Kapselböden bzw. Verschlußteile stirnseitig aufgeschweißt werden. Nachteilig dabei ist, daß, wenn der Außenteil aus schwer schweißbarem oder nur mit entsprechender Vorwärmung schweißbarem Werkstoff besteht, wie u.a. Kaltarbeitsstähle (z.B. Werkstof DIN 1.2378 und dgl.), zusätzliche Maßnahmen wie beispielsweise ein Aufbringen von sogenannten Pufferschweißanlagen mit Zwischenglühungen des gesamten Außenteils und Reinigung bzw. Entzunderung, insbesondere der wärmebeeinflußten Zone erforderlich werden, bevor die Verschlußteile gasdicht aufschweißbar sind und die Schweißnaht selbst auch während einer Erwärmung des Vormaterials auf Verarbeitungstemperatur rißfrei bleibt und auch keine Risse im Grundwerkstoff induziert. Derartige zusätzliche Maßnahmen sind sehr aufwendig und erbringen meist nicht eine ausreichende Produktionssicherheit. Aus diesem Grunde und weil gegebenenfalls einige Sonderwerkstoffe nicht mit den Verschlußteilen bei Einhaltung der gestellten Anforderungen durch Schmelzschweißen verbunden werden können, muß vielfach eine Vormaterialherstellung durch ein Einschweißen der zu verbindenden Teile in eine aus schweißbaren Material bestehende verlorene Kapsel erfolgen.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, obige Nachteile zu vermeiden und auf einfache Weise ein Vormaterial für die Herstellung von Verbundwerkstoffteilen und ein Verfahren zur Herstellung des Vormaterials zu schaffen.
- Die Erfindung besteht darin, daß Verschlußteile zumindest teilweise in einen rohrförmigen, vorzugsweise im Verschlußbereich, mit stufenförmigen Wandquerschnitt ausgebildeten Außenteil ragen, wobei an den Paßflächen, welche mit einer Rauhigkeit bzw. Rauhtiefe RA von höchstens 200 µm, vorzugsweise höchstens 10 µm, insbesondere 4 µm, gefertigt sind, eine Flächenpressung herrscht und die Verschlußteile, gegebenenfalls außenseitig, Halterungseinrichtungen, wie beispielsweise Zapfen, Sacklöcher, und dgl. und gegebenenfalls innenseitig eine oder mehrere Zentrier- oder Positionierstellen für den (die) Innenteil(e) aufweisen und im Vergleich mit dem Werkstoff des Außenteiles die Verschlußteile aus einem Werkstoff gebildet sind, der mindestens einen gleichen, insbesondere einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizient, vorzugsweise höheres Warmformungsvermögen, bei im wesentlichen gleichen Formänderungswiderstand bei Verarbeitungstemperatur des Vormaterials und eine um mindestens 90°C diese Temperatur übersteigende Erweichungstemeperatur aufweist und gegebenenfalls die Resthohlräume im Vormaterial mit Inertgas gefüllt oder evakuiert sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Verschlußteile aus einer austenitischen Legierung, insbesondere aus einem Chrom-Nickel-Stahl oder aus einem Manganstahl oder aus einem Nickel-Mangen-Stahl bestehen.
- Das Verfahren zur Herstellung des Vormaterials besteht im wesentlichen darin, daß in einem rohrförmigen Außenteil, der gegebenenfalls vorher erwärmt wird, ein Verschlußteil, der auf eine um mindestens 50°C, vorzugsweise um 100°C, insbesondere um 150°C, tiefere Temperatur als der Außenteil aufweist, gebracht wird, eingesetzt und bis zum Temperaturausgleich gehalten wird, wonach in den einseitig verschlossenen Außenteil ein oder mehrere Innenteile(e), gegebenenfalls in Pulverform nach an sich bekannten Verfahren verdichtet, eingebracht wird (werden) und ein zweiter Verschlußteil nach dem gleichen Einsetzverfahren im Außenteil fixiert wird, gegebenenfalls mittels eines Gasanschlusses Inertgas in die Resthohlräume im Vormaterial eingebracht oder diese evakuiert werden, wonach der Gasanschluß verschlossen wird. Vorteilhaft ist es dabei, wenn der Außenteil auf Raumtemperatur gelassen und eine Einstellung der Temperaturdifferenz durch Kühlung der Verschlußteile in einem Kühlmedium, z.B. flüssiger Luft oder flüssigem Stickstoff, durchgeführt wird.
- Entgegen dem Vorurteil des Fachmannes, daß bei einem vakuumdichten Schrumpfsitz bzw. bei durch eine Ausdehnung des Verschlußteiles auftretenden hohen Zugspannungen im Außenteil, insbesondere wenn dieser aus sprödem Material gefertigt ist, Risse entstehen und daß aufgrund von größer werdenden Zugspannungen und einer Duktilitätsverminderung des Materials bei Durchlaufen der Versprödungstemperatur während eines Aufheizens auf Verformungstemperatur weiters Risse gebildet werden, wurde gefunden, daß beim Einsatz von insbesondere aus austenitischem Material bestehenden Verschlußteilen auch während einer Erwärmung keine Risse im Außenteil gebildet werden, auch wenn dieser aus wenig zähem bzw. spödem Material besteht. Überraschenderweise wurde weiters gefunden, daß auch bei Gefügeumwandlungen im Material des Außenteiles beim Aufheizen, welche mit Volumsänderungen verbunden sind, eine Gasdichtheit bzw. Vakuumdichtheit der Schrumpfverbindung erhalten bleibt.
- Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert:
- Fig. 1 zeigt ein Vormaterial für einen aus zwei Komponenten bestehenden Verbundwerkstoffteil,
- in Fig. 2 ist schematisch ein Vormaterial für die Herstellung eines Triverbundteiles bzw. eines aus drei Komponenten gebildeten Teiles dargestellt.
- Wie aus Fig. 1 ersehen werden kann, ist ein fester Innenteil (2) in einem Außenteil (1) eingebracht, in welchen stirnseitig teilweise die Verschlußteile (3) ragen. Die Paßflächen (4) werden durch einen stufenförmigen Wandquerschnitt des Außenteiles gebildet und kooperieren mit denjenigen der Verschlußteile. Die Verschlußteile (3) haben Halterungseinrichtungen (7), wobei ein Verschlußteil einen Gasanschluß (5) besitzt. Zwischen Außenteil (1) und Innenteil (2) ist einer der Resthohlräume (6) im Vormaterial gebildet.
- In Fig. 2 ist ein Vormaterial für die Herstellung eines aus drei Komponenten bestehenden Verbundwerkstoffteiles dargestellt, wobei zwischen einem festen Kernteil (2), der in Positionierstellen (10) von Verschlußteilen (3) gehalten wird und einem Außenteil (1), in welchen die Verschlußteile (3) ragen, ein pulverförmiger Zwischenteil (9) angeordnet ist. Der Verschlußteil (3) , der einen Gasanschluß (5) trägt, weist eine als Sackloch ausgebildete Halterungseinrichtung auf.
Claims (4)
1. Vormaterial für die Herstellung von Verbundwerkstoffteilen durch Warmumformung oder durch heißisostatisches Pressen, bestehend aus einem rohrförmigen Außenteil, der, gegebenenfalls nach der Umformung, eine Komponente des Verbundteiles bildet und mindestens einem Kern oder Innenteil, der aus festem und/oder pulverförmigem Materials besteht, welcher im Fertigprodukt die weitere(n) Komponente(n) bildet und zwei am rohrförmigen Außenteil stirnseitig angeordnete Verschlußteile, die gegebenenfalls einem Gasanschluß aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußteile (3) zumindest teilweise in einen rohrförmigen, vorzugsweise im Verschlußbereich, mit stufenförmigem Wandquerschnitt ausgebildeten Außenteil (1) ragen, wobei an den Paßflächen (4) , welche mit einer Rauhigkeit bzw. Rauhtiefe (RA) von höchstens 200µm, vorzugsweise höchstens 10 µm, insbesondere 4µm, gefertigt sind, eine Flächenpressung herrscht und die Verschlußteile (3) gegebenenfalls außenseitig Halterungseinrichtungen (7), wie beispielsweise Zapfen, Sacklöcher und dgl. und gegebenenfalls innenseitig eine oder mehrere Zentrier-oder Positionierstellen (10) für den (die Innenteil(e) (9) aufweisen und im Vergleich mit dem Werkstoff des Außenteiles (1) die Verschlußteile (2) aus einem Werkstoff gebildet sind, der mindestens einen gleichen, insbesondere einen höheren, thermischen Ausdehnungskoeffizienten, vorzugsweise ein höheres Warmumformungsvermögen bei im wesentlichen gleichen Formänderungswiderstand, bei Verarbeitungstemperatur des Vormaterials und eine um mindestens 90°C diese Temperatur übersteigende Erweichungstemperatur aufweist und gegebenenfalls die Resthohlräume (6) im Vormaterial mit Inertgas gefüllt oder evakuiert sind.
2. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußteile (3) aus einer austenitischen Legierung, insbesondere aus einem Chrom-Nickel-Stahl oder aus einem Mangan-Stahl oder aus einem Nickel-Mangan-Stahl, bestehen.
3. Verfahren zur Herstellung von Vormaterial gemäß Anspruch 1 und 2, für eine Fertigung von Verbundwerkstoffen durch Warmumformung, dadurch gekennzeichnet, daß in einen rohrförmigen Außenteil, der gegebenenfalls vorher erwärmt wird, ein Verschlußteil, der auf eine um mindestens 50°C, vorzugsweise um 100°C, insbesondere um 150°C, tiefere Temperatur als der Außenteil aufweist, gebracht wird, eingesetzt und bis zum Temperaturausgleich gehalten wird, wonach in den einseitig verschlossenen Außenteil ein oder mehrere Innenteil(e) gegebenenfalls in Pulverform nach an sich bekannten Verfahren eingebracht wird (werden) und ein zweiter Verschlußteil nach dem gleichen Einsetzverfahren im Außenteile fixiert wird, gegebenenfalls mittels eines Gasanschlusses Inertgas in die Resthohlräume im Vormaterial eingebracht oder diese evakuiert werden, wonach der Gasanschluß verschlossen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenteil (1) auf Raumtemperatur gelassen und eine Einstellung der Temperaturdifferenz durch Kühlung der Verschlußteile (3) in einem Kühlmedium, z.B. flüssige Luft oder flüssiger Stickstoff, durchgeführt wird.
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