EP0374094B1

EP0374094B1 - Verfahren zum Verformen eines Metallstückes

Info

Publication number: EP0374094B1
Application number: EP89810916A
Authority: EP
Inventors: Jerome P. C/O Lockheed Missiles & Wittenauer; Bruno Dr. Walser
Original assignee: Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1988-12-14
Filing date: 1989-12-05
Publication date: 1993-05-19
Anticipated expiration: 2009-12-05
Also published as: US5121535A; JPH082451B2; CA2002714C; EP0374094A1; ES2042066T3; DE58904435D1; JPH02263504A; CA2002714A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verformen eines Metallstückes gemäss Oberbegriff von Anspruch 1. Dieses Verfahren dient zur Herstellung von dünnwandigen Metallteilen, beispielsweise Metallfolien, aus reaktiven Metallen, d.h. aus Metallen, die insbesondere bei erhöhten Temperaturen korrosionsanfällig in erster Linie oxidationsanfällig sind. Insbesondere dient das neue Verfahren dazu, Oxidationen und andere Qualitätsverluste an Teilen aus den genannten Metallen während einer Warmumformung zu verhindern.
Bekanntlich nehmen Korrosionsschäden bei Metallen mit steigenden Temperaturen zu; beispielsweise ist die Oxidationsanfälligkeit von Titan, Eisen, Nickel, Zink oder ähnlichen Metallen, sowie von hochschmelzenden Metallen - wie Molybdän, Wolfram, Niob und Tantal - bei erhöhten Temperaturen ein erstrangiges Problem, da bei hohen Temperaturen die Reaktionen zwischen dem Metall und dem Luftsauerstoff beschleunigt werden. Zusätzlich zu den Oxidationsverlusten können ferner Sauerstoff oder andere Gase als Verunreinigungen in die Oberfläche von Metallstücken hineindiffundieren. Die Ausbildung von Oxidschichten auf den Oberflächen kann die Gefügestruktur der Metallstücke beeinflussen und die Fähigkeit zweier Metalle, sich metallurgisch miteinander zu verbinden, beeinträchtigen. Darüberhinaus kann eine Diffusion eines Gases in eine Metalloberfläche eine Verringerung der Duktilität hervorrufen. Schliesslich ist bekannt, dass weitere Qualitätsverluste von Metallen bei erhöhten Temperaturen auftreten.
Um ungewollte Korrosion von Metallstücken zu reduzieren, sind zahlreiche Legierungen, wie z.B. Titanlegierungen, entwickelt worden, die eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen Korrosionen haben. Jedoch gerade derartige Legierungen können während mechanischer Umformungen bei erhöhten Temperaturen in einem unzulässig hohen Masse oxidieren. Sehr häufig werden Metallteile jedoch während ihrer Ver- oder Umformung einer Warmverformung bei hohen Temperaturen unterworfen. Diese Notwendigkeit einer Umformung bei hohen Temperaturen und die daraus resultierende Steigerung der auftretenden Qualitätsverluste haben zu zahlreichen bekannten Massnahmen geführt, um eine korrosive Atmosphäre von den Metallstücken während dieser Umformung fernzuhalten. Eine solche Massnahme ist beispielsweise die Warmverformung in grossen Vakuumkammern oder unter einer Schutzgasatmosphäre. Beides erfordert kostspielige Einrichtungen, die das Endprodukt verteuern. Bei vielen Anwendungen ist dabei eine Oxidschicht von der Metalloberfläche durch mechanische Bearbeitung oder ein anderes Verfahren zu entfernen.
Weiterhin sind schon vielfach Beschichtungensverfahren angewendet worden, mit denen korrosionsresistente Schutzschichten auf einer Metalloberfläche aufgebracht werden. Die gebräuchlichsten metallischen Schutzschichten bestehen aus oder enthalten Zinn, Zink, Blei/Zinn-Legierungen, Nickel, Chrom, Cadmium, Kupfer, Aluminium, Bronze, Messing, Blei, Eisen und Stahl. Diese metallischen Schutzschichten werden durch eine ganze Reihe bekannter Beschichtungsverfahren auf einen Metallteil aufgebracht. Solche Verfahren sind beispielsweise: Tauchprozesse, bei denen der zu beschichtende Gegenstand in eine Schmelze des Schutzmetalles eingetaucht wird, oder Metallhärten, bei dem der "Schutzwerkstoff" in die zu schützende Substratoberfläche hineinlegiert wird, oder das Aufbringen einer metallischen Spritzschicht. Bei den Spritzverfahren wird das Schutzschichtmetall im allgemeinen erhitzt, verdampft und unter hoher Geschwindigkeit auf die zu schützende Oberfläche gespritzt. Da die Metallpartikel mit grosser Wucht auf die Oberfläche auftreffen, haften sie dort fest und erzeugen eine dünne Korrosionsschutzschicht.
Ein anderes bekannten Verfahren zum Aufbringen einer Schutzschicht auf eine Metalloberfläche ist das sogenannte Plattieren, bei dem ein metallisches Substrat mit geringer Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion von einem korrosionsresistenten Metall umhüllt wird, um ein Werkstück aus mehreren Lagen zu erhalten. Das Plattieren kann durch Umgiessen des Substrats oder durch elektrolytische Abscheidung der Schutzschicht auf dem Substrat erfolgen. Eine weitere Möglichkeit ist, ein Metallstück zwischen zwei Lagen eines korrosionsresistenten Metalles einzubetten, d.h. beispielsweise eine flache Platte aus Stahl zwischen zwei Aluminiumscheiben einzulegen und das Ganze dann kaltzuwalzen, um eine Struktur aus drei Schichten herzustellen. Andere Verfahren zum Plattieren, wie Schmelzschweissen, sind ebenfalls bekannt. Das beschichtete Werkstück kann dann durch Extrudieren, Warmwalzen, Warmverdichten oder andere Metallumformungs-Verfahren weiterbearbeitet werden.
Weiterhin ist es bekannt, Schutzschichten durch andere Verfahren, wie Kathodenzerstäubung oder chemische oder physikalische Verdampfung und Kondensation (CVD- oder PVD-Verfahren), auf Substrate aufzubringen. In vielen Fällen, in denen die Beschichtung nur dazu dient, das Metallstück vor Oxidationen während der Umformung zu schützen, muss die Schutzschicht anschliessend wieder, beispielsweise auf chemischem oder mechanischem Wege, entfernt werden.
Bei zahlreichen Anwendungen, beispielsweise in der Raumfahrtoder Flugzeugindustrie, werden oft dichte, duktile Metallfolien verwendet. Obwohl diese Folien eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion bei Umgebungstemperaturen und im Vakuum des Weltraumes haben können, oxidieren sie in unzulässig hohem Masse bei hohen Temperaturen. Bisher sind diese Folien durch komplizierte und aufwendige Verdampfungsprozesse im Vakuum hergestellt worden, bei denen ein Material, beispielsweise Lagermetall, im Vakuum verdampft wird. Ein Teil des verdampften Metalls wird dann einem Substrat kondensiert.
Metallfolien durch Flammspritzen auf die Oberfläche eines Substrates aufzubringen, ist ebenfalls bekannt.
Diese Beschichtungsverfahren werden mit ruhenden und bewegten Substraten durchgeführt, wobei diese kontinuierlich durch eine Abscheidekammer oder an einer Flammspritzdüse vorbei geführt werden. Schliesslich können Folien auch durch mechanische Umformung von Gussstücken oder durch Warmwalzen unter Vakuum hergestellt werden.
In dem US-Patent 2,997,784 wird ein Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern aus Metall beschrieben, die aus Substraten mit einer Plattierungsauflage bestehen; bei diesen Verfahren wird ein Trennmittel zwischen zwei Platten aus Plattierungs-Material eingebracht und anschliessend das zu plattierende Grundmaterial in Kontakt mit den nicht beschichteten "Rückseiten" des Plattierungsmaterials kontaktiert. Das ganze wird dann an den Rändern verschweisst und zu einer gewünschten Dicke ausgewalzt, wobei das Grundmaterial mit dem Plattierungsmaterial durch Druck verschweisst wird. Anschliessend werden die verschweissten Ränder entfernt und die beiden plattierten Teile des Grundmaterials getrennt. Dabei wird erwähnt, dass Kalziumfluorid oder andere Fluoride als Trennmittel geeignet sind, die auf das Plattierungsmaterial gespritzt oder als wässrige Lösung oder Aufschlämmung aufgetragen werden. Weiterhin wird erwähnt, dass das Grundmaterial beispielsweise auch auf das Plattierungsmaterial aufgebracht werden kann, indem zwei Platten des Plattierungsmaterials, zwischen denen das Trennmittel eingelegt ist, zusammen mit dem Grundmaterial in eine Giessform gebracht werden, in die das Grundmaterial eingegossen wird.
In den US-Patentschriften 2.645.842, 3.066.384 und 3.164.884 werden Verfahren für mehrfaches Walzen von Platten beschrieben, bei welchem Deckplatten und seitliche Begrenzungen um innere Platten herum montiert werden, wobei die Oberflächen zwischen den Platten durch Trennmittel voneinander getrennt werden. Die seitlichen Begrenzungen werden durch Lichtbogen entlang ihrer äusseren Ränder miteinander und mit den Deckplatten verschweisst. Als Trennmittel sind wässrige Mischungen von Oxiden, insbesondere von Chrom-, Magnesium- und Aluminiumoxid, erwähnt. Entlüftungslöcher, die in den seitlichen Begrenzungen vorgesehen sein können, ermöglichen Gasen, während des Erhitzens und Walzens aus dem sandwich-artigen Paket zu entweichen.
Generell haben alle Verfahren des Standes der Technik zur Herstellung dünner Plättchen oder Folien erhebliche Nachteile, welche diese Verfahren im Hinblick auf Kosten, Produktionskapazität und Qualitätskontrolle wenig geeignet erscheinen lassen. Insbesondere gibt es bei den bekannten Verfahren hinsichtlich des Trennmittels Probleme:
Das Trennmittel muss sich mindestens gegenüber den umzuformenden Metallstücken chemisch zumindest weitgehend inert verhalten und es soll mit Vorteil bei den Umformungstemperaturen fliessfähig sein. Ferner muss das Trennmittel bei der Umformung eine zusammenhängende Trennschicht zwischen eingebettetem Metallstück und zweitem Metall der Umhüllung bilden, damit es nicht zu unerwünschten metallurgischen Bindung zwischen den Metallen kommt. Derartige Bindungen beeinträchtigen das Abschälen der Deckplatten von den umhüllten Metallstücken nach dem Warmumformen. Bei den bekannten Verfahren werden keine besonderen Massnahmen getroffen, um die Trennschichten ausreichend dick auszubilden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Weiterbildung des Verfahrens für die Herstellung von dünnen Metallteilen, wie z.B. Metallfolien, aus Metallstücken zu schaffen, wobei ein solches Metallstück, in einer schützenden Umhüllung eingebettet, bei hohen Temperaturen umgeformt wird und wobei insbesondere Massnahmen vorzusehen sind, durch welche für Trennschichten gesorgt wird, die beim Umformen zusammenhängend bleiben.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1. Bei diesem Verfahren werden Metalle zu dünnen Plättchen oder Folien durch Prozesse verformt, die in einer natürlichen Atmosphäre bei Umgebungsdruck durchgeführt werden und keine komplizierten Einrichtungen oder chemische Nachbehandlungen erfordern.
In erster Linie dient das vorstehend beschriebene Verfahren zur mechanischen Verformung eines Metallstückes bei hohen Temperaturen zur Herstellung von dünnen Metallplättchen aus reaktiven, korrosionsanfälligen Metallen. Im wesentlichen wird ein solches Metallstück vor Hochtemperaturkorrosionen während einer Warmverformung durch Einbetten in eine, vorzugsweise plastisch verformbare, Metallumhüllung geschützt, wobei ein Trennmittel mindestens zwischen die wesentlichen Bereiche der Grenzflächen von korrosionsanfälligem Metallstück und korrosionsresistenter Umhüllung eingebracht wird. Das Metallstück wird dabei in einen Rahmen aus einer korrosionsresistenten Umhüllung eingelegt und mit zwei Deckscheiben verschlossen werden. Das Trennmittel zwischen den Grenzflächen von korrosionsanfälligem und korrosionsresistentem Metall ist mit Vorteil bei Umformungstemperaturen fliessfähig. Es wird erfindungsgemäss in Vertiefungen oder Taschen der Umhüllung eingelagert. Die zusammengesetzte Sandwich-Anordnung von zu verformendem Metallrahmen, Deckscheiben und Trennmittel wird dann mit Vorteil entlang ihres Umfanges am Rande zu einem Paket verschweisst, so dass das Trennmittel zwischen den Metallteilen dicht eingeschlossen ist. Das verschweisste Paket kann dann unter Druck auf das gewünschte Mass in einer konventionellen Warmwalzeinrichtung zu dünnen Plättchen oder Folien ausgewalzt werden.
Selbstverständlich ist es auch möglich, andere Verfahren der Warmverformung anzuwenden. Beim Warmwalzen verfliesst das Trennmittel und erzeugt zwischen den Metallen eine gleichmässige filmartige Trennschicht.
Auf diese Weise wird eine beschleunigte Oxidation eines korrosionsanfälligen Metallteiles während Umformung bei hohen Temperaturen durch die vorliegende Erfindung verhindert.
Später wird das verformte Paket oder Laminat gekühlt, und die verschweissten Ränder werden entfernt. Die Teile der Umhüllung können dann von dem zu einer dünnen Metallfolie verformten Metallstück wegen der Trennschicht aus einem spröden, schlecht-benetzenden Trennmittel einfach abgeschält werden. Reste des Trennmittels können von der erzeugten Metallfolie beispielsweise durch Spülen entfernt werden.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren können grosse Mengen korrosionsanfälliger Metalle, wie z.B. hochschmelzender Metalle, zu dünnen Metallplättchen oder -Folien so verformt werden, ohne dass Vakuumanlagen benötigt werden. Die Verformung kann vielmehr in konventionellen Umformungsanlagen, wie z.B. Warmwalz-Anlagen, erfolgen.
Die Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher beschrieben.

Fig. 1: ist eine Aufsicht auf ein Metallstück aus einem reaktiven, d.h. korrosionsanfälligen Metall;
Fig. 2: ist eine Seitenansicht des Metallstückes nach Fig. 1;
Fig. 3: ist eine Aufsicht auf einen Rahmen aus einem korrosionsresistenten Metall, wie er im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 4: ist eine Seitenansicht des Rahmens nach Fig. 3;
Fig. 5: zeigt das Metallstück nach Fig. 1, eingebettet in den Rahmen nach Fig. 4;
Fig. 6: gibt eine Deckscheibe der Umhüllung aus einem korrosionsresistenten Metall für den Rahmen nach Fig. 4 wieder;
Fig. 7: ist ein Schnitt VII-VII von Fig. 6;
Fig. 8: zeigt in gleicher Darstellung wie Fig. 7 eine Deckscheibe der Umhüllung, in die ein Trennmittel eingelegt ist;
Fig. 9: ist ein Querschnitt durch ein aus mehreren Lagen bestehendes Paket;
Fig. 10: ist eine Aufsicht auf Fig. 9, wobei einzelne Lagen teilweise weggelassen sind;
Fig. 11: zeigt eine schematische Darstellung der mechanischen Umformung des verschweissten Paketes nach Fig. 10 in einer Vorrichtung zum Warmwalzen;
Fig. 12: stellt das Paket nach Fig. 10 nach dem Warmverformen dar;
Fig. 13: gibt das Paket von Fig. 12 nach Entfernen der verschweissten Ränder wieder;
Fig. 14: zeigt schematisch das Abschälen der Lagen des korrosionsresistenten Metalls von der durch Walzen erzeugten Metallfolie aus korrosionsanfälligem Material;
Fig. 15: schliesslich eine Mikrofotographie eines Gefüges einer nach der Erfindung hergestellten Metallfolie aus Titan.

Ein Metallstück 20 (Fig. 1) aus einem reaktiven, d.h. korrosionsanfälligen, Metall soll mechanisch in einen dünnen Metallstreifen oder eine dünne Metallfolie verformt werden. Das Metallstück 20 ist vor der Verformung eine quadratische, bereits relativ dünne Platte. Wie bereits erwähnt, wird unter einem "reaktiven" Metall ein Metall oder eine Legierung verstanden, die bei Temperaturen über Umgebungstemperatur einer erhöhten Korrosion, insbesondere Oxidation, unterworfen ist. Die Erfindung wird vor allem zur Herstellung dünner Teile aus hochschmelzenden Metallen verwendet, die bei erhöhten Temperaturen sehr rasch oxidieren. Ferner dient die Erfindung bevorzugt für die Herstellung dünner Teile, insbesondere dünner Folien, aus Titan oder Titanlegierungen, wie z.B. Titan-Aluminium-Vanadium oder Titan-Aluminium-Niob. Weitere Metalle, bei denen das neue Verfahren mit Vorteil angewendet werden kann, sind Molybdän, Niob oder Wolfram. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die genannten Werkstoffe beschränkt, sondern kann auch bei vielen anderen reinen Metallen oder Legierungen anwendet werden.
Das Metallstück 20, das gegebenenfalls auch pulvermetallurgisch hergestellt werden kann, wird zunächst gereinigt, um Oberflächenverunreinigungen, einschliesslich einer eventuellen, natürlichen Oxidschicht, zu entfernen. Gegebenenfalls müssen auch bereits vorhandene Schutzschichten entfernt werden.
In Fig. 3 und 4 ist ein Metallrahmen 22 gezeigt, in den das korrosionsanfällige Metallstück 20 für die Verformung eingelegt wird. Der Rahmen 22, der aus einem korrosionsresistenten Metall besteht, umschliesst eine fensterartige Oeffnung 24. Seine Dicke entspricht im wesentlichen der Dicke des Metallstückes 20. Die Dimensionen der Oeffnung 24 sind dabei so auf die Abmessungen des Metallstückes 20 abgestimmt, dass das Stück möglichst genau in den Rahmen 22 bzw. die Oeffnung 24 passt, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist.
Der Ausdruck "korrosionsresistent" oder "nicht-reaktives" Metall umfasst im Rahmen der vorliegenden Erfindung jene Metalle, die auch bei hohen Temperaturen eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion haben. Für die vorliegende Erfindung sollen diese Metalle gleichzeitig eine gute Warmverformbarkeit und gute Schweissbarkeit besitzen. Weiterhin sollen diese Metalle während der Umformung ausreichend Schutz gegen Gasdiffusionen bieten.
Die Dicke des Metallstückes 20 und des Rahmens 22 ist nicht kritisch und wird durch die endgültigen Masse der fertigen Produktes und die Anzahl der Walzschritte des Herstellungsverfahrens bestimmt.
Bei Herstellung des Metallstückes 20 aus Metallpulver wird das Pulver mit einem geeigneten Stempel in dem Rahmen 22 kaltgepresst; das Pulver sollte dabei ohne die Verwendung von Bindemitteln eine erhebliche Grünfestigkeit besitzen.
Die Einheit 26 (Fig. 5) aus Rahmen 22 und Metallstück 20 kann jedoch auch durch Formen eines Barrens aus dem korrosionsanfälligen Metall und anschliessendes Umgiessen dieses Barrens mit dem korrosionsbeständigen Metall hergestellt werden, wobei diese Einheit 26 durch einfaches Abschneiden von Teilstücken von dem Gussstück erzeugt werden.
Bevorzugte Werkstoffe für das korrosionsbeständige Metall sind Eisen oder Nickel und Eisen- oder Nickel-Basis-Legierungen, wie beispielsweise rostfreier Stahl 316. Dieser ist geeignet für Bearbeitungstemperaturen von ungefähr 950 bis 1100° C. Grundsätzlich ist es auch möglich, das in eine dünne Folie umzuformende Metallstück 20 in eine Umhüllung aus einem ebenfalls korrosionsanfälligen Metall einzupacken, da die äussere Umhüllung ja nach der Umformung von der als Endprodukt vorliegenden Folie abgetrennt wird.
Die Oeffnung 24 wird von Deckscheiben 28 (Fig. 6 und 7) verschlossen, die vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Rahmen 22 bestehen; diese Deckscheiben 28 sind auf ihrer Innenseite 32 erfindungsgemäss mit Vertiefungen oder Taschen 30 (Fig. 7) für die Aufnahme eines Trennmittels 34 versehen. Die Flächengrösse der Vertiefungen 30 entspricht mindestens im wesentlichen derjenigen der Oeffnung 24. Das Trennmittel 34 gewährleistet eine problemlose Trennung der Deckscheiben 28 von dem umgeformten Werkstück, in diesem Falle von dem zur einer Folie ausgewalzten Metallstück 20.
Das Trennmittel 34 sollte bei den Temperaturen und Drücken, bei denen die Verformung des Metallstücks 20 durchgeführt wird, fliessfähig sein und einen zusammenhängenden Film zwischen den Deckscheiben 28 und mindestens einem wesentlichen Teil der Oberflächen des Metallstückes 20 bilden. Das Trennmittel 34 muss gegen das Material des Metallstücks 20 auch bei den Umformungstemperaturen chemisch inert sein, um Verunreinigungen und Schädigungen des bei erhöhten Temperaturen korrosionsanfälligen Materials zu vermeiden. Weiterhin ist es wünschenswert, wenn das Trennmittel 34 bei Umgebungstemperaturen spröd und schlecht-benetzend ist, d.h. bei Umgebungstemperaturen leicht in Bruchstücke zerfällt. Diese Eigenschaften erleichtern eine Trennung der Deckscheiben 28 vom Metallstück 20 nach der Umformung.
Als Trennmittel 34 dienen bevorzugt Metallhalogenide, insbesondere Fluoride des Lithiums, Natriums, Magnesiums, Strontiums und Bariums. Von diesen hat sich besonders das Kalziumfluorid als Trennmittel bewährt. Das Trennmittel 34 kann beispielsweise als Schmelze in die Vertiefungen 30 eingebracht werden. Es ist auch möglich, das Trennmittel in die Vertiefungen "einzudampfen", wobei die Ränder der Innenseite 32 abgedeckt werden.
Die Reinheit des Trennmittels 34 sollte so hoch wie möglich sein und mindestens 99 % betragen. Eine weitere Möglichkeit, das Trennmittel 34 in die Vertiefungen 30 einzubringen, ist Flamm- oder Plasmaspritzen im Vakuum, wobei eine direkte festhaftende Auflage des Trennmittels 34 auf den Deckscheiben 28 entsteht. Diese thermischen Spritzverfahren haben den zusätzlichen Vorteil, dass dabei Lufteinschlüsse in der Trennmittelschicht vermieden werden, die bei der anschliessenden Umformung des Metallstückes 20 zu Oxidationen führen können.
Wie Fig. 8 zeigt, ist die Dicke der Auflage des Trennmittels 34 in der Vertiefung 30 geringfügig kleiner als diese Vertiefung 30 selbst. In Fig. 8 und 9 sind Vertiefungen und Trennmittelschicht zur Verdeutlichung stark übertrieben dargestellt. Generell sollte die Dicke des Trennmittels 34 vor der Umformung des Paketes 36 so gewählt werden, dass nach der Umformung eine Trennschicht von 10 bis 100 um vorhanden ist. Vor dem Warmumformen ergeben sich daraus Dicken der Trennmittelauflage von 0,4 mm bis 2 mm. Von der geforderten Dicke der Trennmittelauflage abhängig wird dann die Tiefe der Vertiefung 30 gewählt. Selbstverständlich werden mindestens die Vertiefungen 30 der Deckscheiben 28 vor dem Auftragen des Trennmittels gereinigt. Ebenso kann es notwendig sein, die Innenseiten 32 vor dem Zusammensetzen des Paketes 36 (Fig. 9) und dem Verschweissen seiner Ränder zu reinigen.
Fig. 9 der Zeichnungen zeigt ein Paket 36 aus mehreren Lagen mit einer Einheit 26, bestehend aus einem Rahmen 22 und einem Metallstück 20. Eine Deckscheibe 28, in die eine Trennmittelauflage 34 eingebettet ist, grenzt mit der freien Seite der Auflage 34 an die obere Oberfläche des Metallstückes 20. Auf der gegenüberliegenden Seite der Einheit 26 ist eine zweite, völlig gleich aufgebaute und angeordnete Deckscheibe 28' vorgesehen, so dass ein "sandwichartiges" Paket 36 entsteht, in welchem das Metallstück 20 zwischen die Trennmittelauflagen 34 und 34' eingebettet und von den Deckscheiben 28 und 28' und dem Rahmen 22 umhüllt ist. Bei manchen Anwendungen kann es vorteilhaft sein, mehr als ein Paket 36 herzustellen und mehrere dieser Pakete aufeinander zu stapeln, um gleichzeitig mehrere Metallfolien herzustellen.
Bei der Aufsicht auf Fig. 10 sind einzelne Lagen des Paketes 36 nur teilweise dargestellt, um die unteren Lagen dieses Paketes zu zeigen. Das Paket 36 wird nach seinem Aufbau zusammengespannt und längs seiner Ränder verschweisst, um das Metallstück 20 und die Trennmittelauflage 34 und 34′ dicht in der Metallumhüllung aus dem Rahmen 22 und den Deckscheiben 28 und 28′ zu verschliessen. Zahlreiche bekannte Schweissverfahren sind anwendbar. Das gewählte Verfahren muss nur geeignet und verträglich mit dem Werkstoff sein, aus dem der Rahmen 22 und die Deckscheiben 28 und 28′ hergestellt sind. Die Schweissung sollte auf den korrosionsbeständigen Werkstoff der Elemente 22, 28 und 28′ beschränkt werden und nicht auf das Metallstück 20 übergreifen. Die Schweissnaht verbindet daher mit Vorteil nur die Deckscheiben 28 und 28′ mit dem Rahmen 22; eine fortlaufende Schweissnaht ist wünschenswert, um Verunreinigungen des Metallstückes 20 und der Innenseiten 32 der Umhüllung aus der Atmosphäre beim Aufheizen des Paketes 36 für die und vor der mechanischen Warmumformung zu vermeiden. Gleichzeitig verhindert eine kontinuierliche Schweissnaht ein Ausfliessen von flüssigem Trennmittel aus dem Paket 36. Die Tiefe der Schweissung sollte eine ausreichende Festigkeit mindestens für die ersten Walzendurchgänge haben, um ein Verschieben der einzelnen Lagen des Paketes 36 zu vermeiden. Ein besonders bevorzugtes Schweissverfahren ist das Elektronenschweissen im Vakuum, das ein Eindringen von Luft verhindert, die Oxidationen bei der anschliessenden Warmbearbeitung verursachen kann. Das verschweisste Paket ist mit 38 bezeichnet.
In Fig. 11 ist schematisch das mechanische Bearbeiten des verschweissten Paketes 38 zur Herstellung von dünnen Metallteilen, z.B. Folien, aus dem korrosionsanfälligen Material dargestellt. Es wird unterstellt, dass die Erfindung für die Herstellung solcher Folien aus Metallstücken mit Dicken von 0,1 bis 10 mm, vorzugsweise von ungefähr 0,05 bis 5 mm, und vor allem von 0,05 bis 2 mm, angewendet wird.
Als mechanische Bearbeitungen unter erhöhter Temperatur zur Umformung des verschweissten Paktes 38 können Schmieden und Pressen, und vor allem Walzen dienen. Wie dem Fachmann geläufig, besteht Warmwalzen in einem Durchschleusen des Paketes 38 zwischen zwei rotierenden Walzen 40 und 42 bei bestimmten Temperaturen und Drücken.
Wie in Fig. 11 abgebildet, wird das Paket 38 zwischen den beiden Walzen 40 und 42 in konventioneller Weise durchgeschleust, um seinen Querschnitt zu reduzieren. Das dabei auftretende seitliche Spreizen erzeugt einen Schichtkörper 44. Bei den Walztemperaturen werden die Trennmittelauflagen 34 und 34′ viskos und fliessfähig und bilden einen zusammenhängenden Film, der das Metallstück 20 von der Umhüllung aus Rahmen 22 und Deckscheiben 28 und 28′ trennt. Die Bearbeitungstemperatur bei dem Walzprozess wird bestimmt durch die Temperatur-Charakteristiken des Trennmittels 34 und der Metalle des Paketes 38. Bei der Herstellung von Folien aus Titanlegierungen, bei der eine Umhüllung aus rostfreiem Stahl 316 und Kalziumflorid als Trennmittel verwendet worden sind, sollte bei dem isothermischen Warmwalzen eine Temperatur zwischen 800 und 1100° C eingehalten werden. Mehrfaches Durchschleusen des Paketes 38 zwischen den Walzen 40 und 42 kann in einigen Fällen vorteilhaft sein.
In Fig. 12 ist der Schichtkörper 44 gezeigt, zu dem das Paket 36 bzw. 38 nach der mechanischen Warmumformung verformt worden ist; die als Produkt erzeugte Metallfolie 48 ist dabei in Fig. 12 gestrichelt dargestellt. Der Schichtkörper 44 wird gekühlt auf eine Temperatur, bei der das Trennmittel 34 spröde und die Metallflächen schlecht benetzend ist. Bei manchen Anwendungen kann es wünschenswert sein, den Schichtkörper 44 nach dem Walzen Wärmebehandlungen, wie z.B. Glühbehandlungen, Ausscheidungs-Reaktionen und/oder Gefügeumlagerungen, zu unterziehen, um gewünschte metallurgische Eigenschaften zu erreichen. Die Auswahl eines chemisch stabilen Trennmittels, wie Kalziumfluorid, erlaubt dabei Warmbehandlungen des korrosionsanfälligen Materials, ohne dass Verunreinigungen oder Qualitätsverluste der Oberflächen der gewalzten Folie auftreten.
Als nächster Schritt wird die Umhüllung 50 (Fig. 12) auf nachstehend beschriebene Art und Weise entfernt. Die Ränder 52 des Schichtkörpers 44 werden beispielsweise mit Hilfe einer grossen Schneidpresse, innerhalb des Aussenmasses der Folie 48 abgeschnitten, was in Fig. 12 durch die Schneidkanten 54 illustriert ist. Der beschnittene Schichtkörper ist in Fig. 13 vor dem Abschälen seiner Umhüllung 50 dargestellt.
Wie in Fig. 14 verdeutlicht, kann die Umhüllung 50 einfach von der Folie 48 abgeschält werden, da das Trennmittel bei Umgebungstemperatur spröde und brüchig ist; das Auspacken der Folie 48 wird daher vorteilhafterweise bei dieser Temperatur durchgeführt. Geeignete Verfahren und Vorrichtungen für das Abschälen oder Abziehen der Umhüllung 50 von der Folie 48 sind dem Fachmann bekannt.
Im Endeffekt können daher für die Raumfahrt- oder andere Industrien duktile Folien, die wegen einer erhöhten Oxidation bei Warmumformprozessen schwierig herzustellen sind, nach dem neuen Verfahren auf einfache Weise erzeugt werden. Zahlreiche andere Anwendungen für dünne Bleche, die nach dem neuen Verfahren hergestellt worden sind, sind möglich.
Es ist auch denkbar, die aus mehreren Lagen bestehenden Pakete 36 bzw. 38 an einem Ort zu fabrizieren und an eine zweite Produktionsstätte für die mechanische Warmumformung, wie z.B. Warmwalzwerke oder Universalstahlwalzwerke, zu überführen. Darüberhinaus kann die Erfindung für das Extrudieren von strukturierten Teilen benutzt werden, indem man das erfindungsgemässe Einpacken mit Hochtemperatur-Extrudierverfahren kombiniert.

Beispiel

Um die Wirksamkeit der Erfindung zu demonstrieren, wurde eine Titanfolie hergestellt, wobei als Trennmittel Kalziumfluorid diente. Wie Fig. 15 zeigt, ist die Mikrostruktur vollständig homogen ohne sichtbare chemische Angriffe oder Qualitätseinbussen der Oberfläche. Die Mikrostruktur im Innern der Folie ist identisch mit derjenigen an der Oberfläche, ein weiterer Beweis für das Fehlen jeglicher Oberflächenverunreinigungen. Fig. 15 zeigt eine Ti-6Al-4V-Folie von 180 µm Dicke, die aus Pulver durch Kaltpressen hergestellt und bei 900° C warmgewalzt worden ist.
Durch Analysen des Sauerstoff-Gehaltes sind weitere Folien geprüft worden; das Ergebnis zeigt die nachstehende Tabelle:
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die gezeigte und beschriebe Ausführungsform beschränkt, sondern umfasst viele weitere Modifikationen, soweit sie unter die nachfolgenden Ansprüche fallen.

Claims

Verfahren zum Verformen eines Metallstückes (20), bei welchem Verfahren das Metallstück zur Herstellung eines aus mehreren Lagen bestehenden Paketes in eine Umhüllung aus einem zweiten Metall eingepackt wird, wobei die Umhüllung aus einem Rahmen (22) und zwei Deckscheiben (28, 28') gebildet wird und die Grenzflächen zwischen dem Metallstück (20) und dem zweiten Metall mit einem Trennmittel belegt wird, das sich gegenüber dem Metallstück (20) chemisch zumindest weitgehend inert verhält, und bei welchem beide Metallteile (20 und 22, 28, 28') anschliessend an ein Verfahren der Metallverformung wieder voneinander getrennt werden,
dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Rahmens (22) mindestens gleich gross wie die Dicke des Metallstücks (20) ist, die Oeffnung 24 des Rahmens auf die Abmessung des Metallstücks (20) möglichst genau passend abgestimmt ist und die Innenseiten (32) der Deckscheiben (28, 28') mit je einer Vertiefung (30) zur Aufnahme des Trennmittels (34) versehen sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Umhüllung (22, 28, 28') gegen die Umgebung gasdicht verschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Umhüllung (22, 28, 28') längs ihrer Ränder verschweisst wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Verschweissen mit einem Elektronenstrahl im Vakuum durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Paket (38) nach der Verformung längs seiner Ränder aufgeschnitten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Trennmittel (34) durch Flammspritzen in die Vertiefungen (30) abgelagert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zum Trennen der beiden Metalle die Ränder des Paketes (20, 22, 28, 28') abgeschnitten werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein bei den Temperaturen und/oder Drücken der Metallverformung fliessfähiges, bei darunterliegenden Temperaturen und/oder Drücken jedoch sprödes, schlecht-benetzendes Trennmittel (34) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei als Trennmittel (34) ein Metallhalogenid verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei als Trennmittel (34) Kalzium-, Magnesium-, Lithium-, Barium-, Strontium- oder Natrium-Fluorid verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Metallstück (20) zu einem dünnen Metallteil (48) mit einer Dicke zwischen 0,01 und 10 mm verformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei als Metallstück (20) dünne Plättchen aus Titan, Molybdän, Niob, Wolfram oder aus Legierungen davon, wie z.B. Titan/Aluminium/Niob- und Titan/Aluminium/Vanadium-Legierungen, verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei als Metalle für die Umhüllung (22, 28, 28') Eisen oder Nickel sowie Eisen- oder Nickel-Basislegierungen verwendet werden.
Aus mehreren Lagen zusammengesetztes Paket (38) zur Herstellung eines dünnen Metallteiles (20, 48) durch Metall-Verformung mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mindestens bestehend aus
- einem Metallstück (20), das in ein dünnes Metallteil (20, 48) umzuformen ist,

- einer aus einem Rahmen (22) und zwei Deckscheiben (28, 28') gebildeten Metallumhüllung zum Einbetten des Metallstückes (20),

- einer ersten Lage eines Trennmittels (34) in einer Vertiefung (30) der ersten Deckscheibe (28) und

- einer zweiten Lage des Trennmittels in einer Vertiefung der zweiten Deckscheibe (28').
Paket nach Anspruch 14, wobei das Metallstück (20) aus einem Metall besteht, das bei den Temperaturen und/oder Drükken der Metallverformung korrosionsanfällig, insbesondere oxidationsanfällig ist, und wobei ferner die Umhüllung (22, 28, 28') aus einem Metall besteht, das bei den gleichen Temperaturen und/oder Drücken eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion, insbesondere gegen Oxidation, hat.