EP1027177A1 - Verfahren zum herstellen von nickel-titan-hohlprofilen - Google Patents

Verfahren zum herstellen von nickel-titan-hohlprofilen

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EP1027177A1
EP1027177A1 EP98962224A EP98962224A EP1027177A1 EP 1027177 A1 EP1027177 A1 EP 1027177A1 EP 98962224 A EP98962224 A EP 98962224A EP 98962224 A EP98962224 A EP 98962224A EP 1027177 A1 EP1027177 A1 EP 1027177A1
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EP
European Patent Office
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block
core
hollow
composite block
composite
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EP98962224A
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English (en)
French (fr)
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EP1027177B1 (de
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Klaus Müller
Hans Nusskern
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Rau G GmbH and Co
Original Assignee
Rau G GmbH and Co
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Publication date
Application filed by Rau G GmbH and Co filed Critical Rau G GmbH and Co
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Application granted granted Critical
Publication of EP1027177B1 publication Critical patent/EP1027177B1/de
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C37/00—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape
    • B21C37/06—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape of tubes or metal hoses; Combined procedures for making tubes, e.g. for making multi-wall tubes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C23/00—Extruding metal; Impact extrusion
    • B21C23/02—Making uncoated products
    • B21C23/04—Making uncoated products by direct extrusion
    • B21C23/08—Making wire, bars, tubes
    • B21C23/085—Making tubes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C23/00—Extruding metal; Impact extrusion
    • B21C23/22—Making metal-coated products; Making products from two or more metals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C33/00—Feeding extrusion presses with metal to be extruded ; Loading the dummy block
    • B21C33/004—Composite billet
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/4981—Utilizing transitory attached element or associated separate material

Definitions

  • the invention relates to a method for producing hollow profiles, in particular pipes, with a small outside diameter and / or a small wall thickness from a nickel-titanium alloy by forming a composite block.
  • Alloys with a titanium content between 49.7 to 50.7 atom% show a thermal shape memory, also called shape memory
  • alloys with a titanium content from 49.0 to 49.4 atom% show a mechanical shape memory, also called super elasticity.
  • a shape memory alloy can contain ternary components (e.g. iron, chromium or aluminum). The ratio of nickel and titanium as well as the presence of ternary additions have a great influence on the shape of the thermal and mechanical shape memory; even small changes in concentration result in major changes in the material properties.
  • an alloy with a suitable composition is converted from the austenitic structure into the martensitic structure by cooling without diffusion. Subsequent deformation of a component made from this alloy can be reversed by thermal treatment of the component (heating to temperatures above a certain transition temperature). The original austenitic structure is restored and the component takes on its original shape.
  • the transition temperature is generally the temperature at which the martensite is completely converted to austenite.
  • the transformation temperature is strongly dependent on the composition of the alloy and the stresses prevailing in the component. Components that show a thermal shape memory can generate movements and / or exert forces.
  • the mechanical shape memory effect occurs in a component made of a suitable alloy with an austenitic structure if the component is deformed in a certain temperature range. It is energetically more favorable for the austenitic structure to convert to martensite under stress-induced conditions, whereby elastic strains of up to ten percent can be achieved. When the load is released, the structure returns to the austenitic phase. Components made of such an alloy can therefore store deformation energy.
  • Alloys which show the properties described above are known under the terms nickel-titanium, titanium-nickel, tea-nee, Memorite R , Nitinol, Tinel R , Flexon R and shape memory alloys. These terms do not refer to a single alloy with a specific composition, but to a family of alloys that show the properties described.
  • shape memory alloys In many technical fields, e.g. medical technology and precision engineering, due to the special properties of nickel-titanium alloys, there is great interest in using components made from shape memory alloys. In mechanics, they can be used for switching, adjusting elements or valves, for example. Shape memory alloys are also increasingly being used in medical technology, since components made of such alloys are body-compatible and fatigue-proof and, in the case of super-elastic alloys, also show a high resistance to buckling.
  • Examples of the use of nickel-titanium alloys in medical technology, in which the preliminary product is a nickel-titanium tube, are stents, catheters and endoscopic and laparoscopic instruments for minimally invasive diagnosis and therapy.
  • preliminary products in the form of tubes, in particular with a small outside diameter, are also required.
  • nickel-titanium tubes are made by drilling forged bars.
  • the tubes typically have an outside diameter between 12 and 25 mm. Due to the poor machinability of nickel-titanium alloys, the deep hole drilling process is very complex, which leads to short tool downtimes, long machining times and high manufacturing costs for the pipes. Furthermore, there is a high loss of material, particularly in the manufacture of thin-walled pipes. The chips generated during drilling or turning represent lost material.
  • European patent specification 0459909 describes the production of a seamless tube from a corrosion-resistant alloy consisting almost entirely of titanium by means of a tube extrusion process.
  • a perforated press block is pressed by means of stamp pressure through a gap remaining between a press mandrel and a die.
  • the pipes produced in this way are used after subsequent forming work, for example to heat brines in seawater desalination plants and as heat exchanger pipes in chemical production plants.
  • a method of extruding composite blocks with a lost core without a press mandrel is known from document WO 96/17698.
  • a hollow-drilled block is filled with a steel core and then pressed together once.
  • the geometry of the hollow-shaped press product depends on the geometry of the press die and the core. The larger the core in relation to the die, the thinner the tube.
  • this type of block preparation therefore leads to a considerable waste of material, which is a significant disadvantage in the case of nickel-titanium alloys.
  • this method has the disadvantage that the metal core forms an intimate metal connection with the nickel-titanium material in the pressed product through the forming process, so that an additional processing step is required to remove the core material in order to obtain a hollow-shaped pressed product , for example by drilling out and / or chemically triggering the core material. Furthermore, the desired small profile dimension cannot be achieved in all cases by extruding the composite block.
  • the invention has for its object to provide a method with which hollow profiles or tubes made of a nickel-titanium alloy with a small outer diameter and / or a small wall thickness can be produced inexpensively and efficiently.
  • the hollow profiles or tubes can have any cross-sectional shapes.
  • a tube is also understood to mean any profile tube or hollow profile.
  • a method for producing hollow profiles with a small outside diameter and / or a small wall thickness from a nickel-titanium alloy by reshaping a composite block in which a composite block is formed in a first step, which has a solid core made of a nickel -Titanium alloy, a first hollow block of a nickel-titanium alloy surrounding the core and a separating layer between the first hollow block and the core.
  • the composite block is formed by means of a forming process
  • the first hollow block, which is formed into a first hollow profile, and the shaped core are removed from the formed composite block.
  • the invention is based on the idea of reducing both the machining outlay and the lost waste amount of nickel-titanium by stabilizing the hollow block during the shaping with a tern, the core itself being deformed and in terms of both its material and its shape for another use suitable.
  • the core consists of a nickel-titanium alloy.
  • the core which is formed into a solid full profile, can, for example, be used as wire or used as a semi-finished product in further processing steps. In this way there is less waste of the starting material, which is expensive to manufacture.
  • a nickel-titanium starting material is thus divided into zones, and the interstices are filled with a separating layer, for example a non-metallic powder material, which does not combine with nickel-titanium.
  • a separating layer for example a non-metallic powder material, which does not combine with nickel-titanium.
  • the dimensions of the formed products depend on the geometry and the zone division in the composite block and the selected forming process. The number and diameter of the individual zones can be varied and is based on the desired formed products.
  • the function of the material forming the separating layer is to prevent the individual zones from touching before, during and after the shaping of the composite block, in order to ensure that the individual parts of the shaped composite block can be easily separated from one another after the shaping.
  • a first advantageous embodiment can consist in that the composite block is reshaped by means of an extrusion process, in which the composite block is inserted as a heated press block into a block receiver of a press and is pressed through the opening of a die by pressing a press ram.
  • the hollow block which is to be extruded into a tube, is inserted with one during extrusion Core stabilized. The ker can be removed after extrusion.
  • the method according to the invention is comparable to a step from a multiple composite extrusion method, but in contrast to the classic, repeatedly repeated composite extrusion, a single extrusion may be sufficient and, furthermore, the components of the composite strand obtained after the extrusion are separated to obtain a tube .
  • Another advantageous embodiment of a forming process can consist in that the composite block is formed by means of a hot drawing, cold drawing, rolling, round hammer or pilger process.
  • the tube formed is stabilized by the core during the forming.
  • the core is pushed into the first hollow block, in particular into a hollow profile, preferably into a tube.
  • a tube is a tubular hollow block.
  • the composite block is formed with one or more further hollow blocks which are arranged around the first hollow block and each have a separating layer between adjacent hollow blocks, in the second step the plurality Hollow blocks and the core comprising composite block is formed. This is particularly advantageous in order to produce several thin-walled hollow profiles in one forming step.
  • the composite block is formed by pushing together a plurality of hollow blocks, in particular hollow profiles, preferably tubes.
  • hollow blocks in particular hollow profiles, preferably tubes.
  • the hole can be drilled or milled into a block or through a block. Since this inevitably leads to a loss of material, even if the hole, with the exception of the separating gap, is filled by a solid profile, it is proposed according to a preferred feature of the invention that the composite block, a hollow block or the core by EDM or wire EDM a solid nickel Titanium blocks, a nickel-titanium hollow block or another nickel-titanium workpiece is formed.
  • nickel-titanium workpieces can advantageously be processed by means of a spark erosion method, in particular by means of countersinking or wire EDM, in particular when a part, in particular a solid core or a hollow profile, is removed or separated from a Block.
  • a spark erosion method in particular by means of countersinking or wire EDM, in particular when a part, in particular a solid core or a hollow profile, is removed or separated from a Block.
  • the use of a tubular electrode made of copper or a copper alloy is preferred.
  • the method according to the invention relates to the production of pipes made of a nickel-titanium alloy, in particular a shape memory alloy described above.
  • the alloys used can be binary or contain ternary additions.
  • the method is preferably used to produce tubes from a nickel-titanium alloy with superelastic properties.
  • the core which is formed into a solid full profile, also preferably has superelastic properties.
  • the outer diameter of the pressed composite block and thus the outer tube depends on the diameter of the opening of the die, which cannot be chosen to be as small as desired. The smaller it is, the greater the pressure to be applied for pressing and the shorter the service life of the pressing tools.
  • the formed composite block is, in an advantageous embodiment, removed in a second hole, which has been incorporated into a further hollow block made of a nickel-titanium alloy, before removing the reduced core, with the formation of a multiple composite block which forms the comprises further, perforated hollow block and the first, formed composite block with the reduced core, the second composite block thus formed forming a separating layer between the as the core serving first composite block and the second composite block.
  • a multiple composite rod is then extruded from the multiple composite block, the diameter of the further perforated hollow block, the first hollow block and the core being reduced. This also applies to composite blocks with multiple layers and other forming processes.
  • the formed multiple composite block comprises a second tube formed by the second, reduced hollow block, the first, further reduced tube and the further reduced core.
  • the tubes are separated and the reduced core is removed.
  • this two-stage forming for example extrusion, it is possible to work with a larger die opening, which has an advantageous effect on the pressing pressure to be applied and the service life of the pressing tools.
  • two extruded tubes with different diameters are available for further processing.
  • the reshaped multiple composite block before the tubes are separated and the core is removed, is inserted into a further hole which has been incorporated into another hollow block, and the further multiple composite block thus formed is reshaped to produce another tube.
  • the insertion and shaping can be repeated, with each tube forming a further tube.
  • a hole is worked into the block to be formed or into the required hollow blocks, the diameter of which is preferably between 10 mm and 60 mm, preferably between 20 mm and 40 mm.
  • the hole is preferably eroded, but can also be machined into the material in a different way.
  • a continuous hole compared to a blind hole has the advantage that no massive piece, i.e. a section of the extruded rod without a core is formed, which must first be cut off to produce a tube and represents lost material.
  • the composite block is formed to a diameter which is essentially the diameter of the first hole in the core Before the forming corresponds - In this way, the formed composite block can be used in a further hollow block with the same core diameter as the previous hollow block to form a multiple composite block.
  • the multiple composite block can also be formed to a diameter which essentially corresponds to the diameter of the composite block serving as the core before the forming.
  • the formed multiple composite block can be used in a further hollow block with the same core diameter to form a further multiple composite block.
  • the required diameter of the formed composite block or multiple composite block is achieved by appropriate dimensioning of the forming tools.
  • These process variants include the advantage that holes with a uniform diameter can be worked into the required hollow blocks, which reduces the effort required for the block preparation.
  • the outer diameter of the first hollow block or tube after the first forming step is advantageously less than 40 mm, preferably less than 25 mm.
  • the wall thickness of a thin-walled tube is usually between 2% and 10% of the outside diameter.
  • FIG. 10 shows a longitudinal section to FIG. 9,
  • FIG. 11 shows a cross section of a die-eroded block divided into three zones
  • FIG. 12 shows a longitudinal section to FIG. 11,
  • FIG. 14 shows a longitudinal section to FIG. 13,
  • FIG. 16 shows a longitudinal section to FIG. 15,
  • FIG. 17 shows a longitudinal section of the composite block from FIG. 14 or 16 during extrusion
  • Fig. 19 is a cross section corresponding to Fig. 11 and
  • Fig. 20 shows the cross section of Fig. 19 after forming.
  • the first hollow block 1 shown in FIG. 1 is made of a shape memory alloy with superelastic properties, for example forged.
  • a continuous first hole 7 is worked, for example drilled.
  • the diameter dl of the first hole 7 is approximately 30 mm.
  • a sliding layer 2 made of a friction-reducing material is applied to the outer surface of the first hollow block 1.
  • the sliding layer 2 comprises copper and was applied by inserting the first hollow block 1 into a copper tube with a corresponding diameter.
  • a copper layer can also be applied, for example, by plasma or flame spraying.
  • the sliding layer 2 can also consist of glass or another material. Copper has the advantage over a sliding layer made of glass that is often used in extrusion that it can also serve as a sliding layer in a subsequent cold forming process, for example drawing. A sliding glass layer, on the other hand, must first be removed in order to protect the forming tools.
  • the sliding layer 2 can also comprise other materials, in particular graphite applied as a paste or a ceramic substance applied as a slurry.
  • the total diameter d2 of the first hollow block 1 including the applied sliding layer 2 (hereinafter referred to as the press block diameter) is approximately 110 mm in the exemplary embodiment shown.
  • a sliding layer 2 could be dispensed with if a material is used for the forming tools (for example in extrusion) for which the nickel-titanium alloy has essentially no shows welding, or a forming process is selected in which there is no welding.
  • a core 3 is inserted into the first hole 7 of the first hollow block 1 to form a composite block 10, the diameter d3 of which, including an applied separating layer 4 (hereinafter referred to as the core diameter), essentially corresponds to the diameter d1 of the first hole 7.
  • the core 3 also comprises a nickel-titanium alloy. When pressed, it thus shows the same flow behavior as the first hollow block 1.
  • an alloy composition was selected for the core 3 which has a higher martensite-austenite transformation temperature than the alloy of the first hollow block 1. This is advantageous for the removal of the core 3 described below after the shaping.
  • the core 3 has the task of stabilizing the first hollow block 1 when it is formed into a first tube. Furthermore, since its diameter is also reduced when it is pressed out, it determines the inside diameter of the first tube. It is therefore advantageous if the core 3 has a material that shows a similar or the same flow behavior as the alloy of the first hollow block 1 during the forming. In this way, the composite block diameter d2 and the core diameter d3 are uniformly reduced during the shaping, ie the ratio of the cross-sectional area of the first hollow block 1 including the sliding layer 2 to the cross-sectional area of the core 3 including the separating layer 4 remains essentially the same before and after the shaping. Thus, the outer and inner diameter of the resulting pipe can be used for given starting conditions (in particular composite block diameter d2, core diameter knife d3, diameter of the die opening during extrusion) can be calculated.
  • the core 3 also comprises a super-elastic alloy.
  • the core 3 can comprise a copper-chromium alloy. This shows a similar flow behavior as the nickel-titanium alloy of the first hollow block 1.
  • a temperature-resistant separating layer 4 made of copper is applied to the core 3. It can also have other materials, in particular graphite, talc, a mixture with talc or a ceramic substance such as, for example, aluminum oxide, magnesium oxide or titanium oxide.
  • the separating layer 4 has the task of preventing a diffusion of atoms between the core 3 and the first press block 1 during pressing.
  • a core 3 produced by means of a forming process is used.
  • a sliding layer 4a made of copper is applied to a solid core press block 11 made of a shape memory alloy.
  • the core press block 11 is formed into a strand by means of a known forming process, for example an extrusion process.
  • the strand is cut to length, as a result of which the actual core 3 is formed (FIG. 3).
  • the sliding layer 4a located on the outer surface of the core 3 can serve as a separating layer 4 in the further process.
  • the core 3 can be produced by means of the forming or extrusion process according to the invention.
  • the core 3 is inserted into the first hole 7 of the first hollow block 1, as shown in FIG. 1. If the core press block 11 has been pressed out without a sliding layer 4a, a separate separating layer 4 is applied to the resulting core before insertion.
  • the forming by extrusion is explained with reference to Figures 4 and 5.
  • the composite block 10 from FIG. 1, which comprises the first hollow block 1 and the core 3 is heated to approximately 900 to 950 ° C. and inserted into a heatable block receiver 16 of a press 15.
  • the temperature depends on the alloys used.
  • the extrusion temperature can typically be between 850 and 950 ° C.
  • these can be heated separately to different temperatures before being pressed out, then joined together and then pressed together to form a formed composite block 12.
  • the die 17 and the block receiver 16 are fixed.
  • a press ram 19 moves downward in the direction of arrow 21 and exerts pressure on the composite block 10.
  • the latter moves relative to the block receiver 16 and is pressed out through the opening 18 of the die 17 as a deformed composite block 12.
  • the composite block 10 is preferably pressed out by indirect extrusion (FIG. 5).
  • the die 17 arranged at a tip of a hollow punch 20 moves for pressing out as a result of the pressure of the press die 19 relative to the block receiver 16 and the composite block 10 inserted therein. It penetrates into the composite block 10 while it passes through the opening 18 of the die 17 and the hollow punch 20 is pressed as a formed composite block 12.
  • the indirect extrusion has the advantage over the direct one that essentially no different flow velocities occur between near-edge and further inner areas of the composite block 10 during the extrusion. This results in a largely homogeneous material flow, which counteracts an undesirable fluctuation in the wall thickness of the resulting pipe. Because of the lower pressing force requirement and better material flow due to the lack of friction between the transducer and the press block, indirect extrusion is preferred.
  • a first tube is formed from the first perforated hollow block 1 as a formed hollow block la and a reduced core 3a from the original core 3, which are components of the formed composite block 12 ( Figure 6).
  • Figure 6 A comparison between Figure 1 and Figure 6 shows that both the composite block diameter d2 and the core diameter d3 were reduced by the pressing. It can be seen that the press ratio was chosen so that the outer diameter d4 of the formed composite block 12 essentially corresponds to the core diameter d3.
  • the pressing ratio in the present case is approximately 14: 1.
  • the reduced core 3a can be removed from the tube 1a after a single shaping.
  • the shaped composite block 12 is treated mechanically to remove or loosen the reduced core 3a.
  • the reduced core 3a is stretched at a temperature below the transition temperature of the core material. At this temperature, the tube la remains in the austenitic and thus elastic state, while the reduced core 3a is plastically deformed in the martensitic region. As a result of the expansion stress, the reduced core 3a becomes longer (change in length up to 10%) and thinner and can therefore be pulled out of the tube 1a.
  • the stretching is preferably carried out by clamping the reduced core 3a on one side and the tube 1a on the other side.
  • Other options for mechanically loosening the reduced core 3a are, in particular, flexing, rolling and hammering the composite block 12.
  • the composite block 12 can also be subjected to a thermal shock treatment. As a result of material or composition differences, voltages are induced which lead to the loosening of the reduced core 3a in the tube 1a, so that it can subsequently be pulled out.
  • the composite block 12 can also be chemically treated in order to to remove or loosen the induced core 3a.
  • the composite block is treated, for example, with nitric acid, which dissolves or dissolves the reduced core 3a, but does not attack the nickel-titanium tube.
  • Mechanical, chemical or thermal methods for removing or loosening the reduced core 3a can also be used in combination.
  • the parts can be separated without complex processes, for example by simply pulling them apart.
  • the composite block 12 can be cut to length before the reduced core 3 a is removed and into a second hole 8 that has been machined into a second hollow block 5 made of a nickel-titanium alloy , are used to form a multiple composite block 13, as shown in FIG.
  • the sliding layer 2 on the composite block 12 from the first pressing process can serve as a separating layer. If the composite block 10 has been pressed out without a sliding layer 2, a separate separating layer is applied to the composite block 12 before it is inserted into the second hole 8.
  • a sliding layer 6 made of copper is also applied to the outer surface of the second hollow block 5, the outer diameter d5 of which, including the sliding layer 6, is approximately 110 mm.
  • the diameter d6 of the second hole 8 corresponds to the diameter dl of the first hole 7 in the first hollow block 1.
  • the multiple composite block 13 formed in this way which comprises the second hollow block 5 and the composite block 12 with a reduced core 3a, is extruded, for example, to an outer diameter d7 which essentially corresponds to the diameter Knife d6 corresponds to the composite block 12 used, reshaped (FIG. 8).
  • the diameters of the second hollow block 5 and the composite block 12 are reduced.
  • the formed multiple composite block 14 comprises a second tube 5a formed by the second hollow block 5, the further reduced, first tube 1a and the further reduced core 3a.
  • the second tube 5a has an outer diameter of approximately 30 mm and an inner diameter of approximately 8 mm, while the first tube 1 a has an outer diameter of approximately 8 mm and an inner diameter of approx.2.2 mm.
  • the reduced core 3a is removed as described above.
  • the concentric, one inside the other tubes la, 5a of the multiple composite block 14 are separated.
  • the tubes la, 5a thus produced are available for further forming work.
  • the formed core 3a can be used as wire or processed further.
  • the second forming stage can be followed by one or more further forming stages before the tubes 1a, 5a are separated and the reduced core 3a of the multiple composite block 14 is removed, in order to further reduce the tube diameter.
  • the reduced core can also be removed with one or more internal tubes and replaced with another core.
  • FIGS. 9 to 20 illustrate a method according to the invention for producing thin hollow profiles made of nickel-titanium alloys, in which the starting material is divided into three zones and the intermediate zones are filled with non-metallic powder materials.
  • the Forming is preferably carried out by extrusion, whereby an extruded product is formed in which the zone structure is retained. Due to the powder material in the intermediate zones, the individual parts do not come into contact with one another, so that they can be separated into a hollow tubular profile with different diameters and a solid profile after being formed.
  • FIGS. 9 to 20 show an embodiment with a core and two tubular hollow blocks arranged around it, each with intermediate spaces between them. Other variants can only comprise one or more than two hollow blocks.
  • FIGS. 9 to 12 illustrate how a solid, cylindrical nickel-titanium starting material is divided into three zones comprising the core 3, the first hollow block 1 and the second hollow block 5.
  • the division can preferably be carried out by spark erosion.
  • the division takes place by wire EDM.
  • wire EDM With a wire that is thinner than the joint width, the starting material can be cut along the circumference of the joint both on its inner and on its outer diameter.
  • the process of wire EDM has the advantage that little waste material arises, since a compact, recyclable sleeve with the dimensions of the separating joint 23 or 24 is created.
  • There are basically two ways of carrying out the process If the eroding wire is introduced into the starting material along a longitudinal bore, a compact tube closed over its circumference is released from the parting line 23 or 24. If, on the other hand, the wire is fed radially, the piece separated from the starting material forms one longitudinally carved sleeve, which is also usable.
  • the cross section of the parting line 23 or 24 is eroded out.
  • the electrodes are thin-walled tubes made of copper or a copper alloy, the diameter of which corresponds to the diameter of the joints. When eroding, the electrodes can be moved about their longitudinal axis and / or along their longitudinal axis.
  • the material corresponding to the parting lines 23, 24 is produced as fine erosion waste.
  • die sinking EDM has the advantage that if the electrodes are not completely guided through the starting material, a bottom remains at one end of the block, which stabilizes the arrangement and during the subsequent filling of the separating joints 23, 24 with a material forming the separating layer is advantageous to facilitate the filling and to prevent it falling out.
  • Fig. 12 the bottom can be seen at the right end of the illustration.
  • Both the wire and the sinker EDM have the advantage over other methods such as drilling etc. that little waste of nickel-titanium arises, since only the material of the separating joints 23, 24 or part of this material is produced as waste.
  • FIGS. 13 to 16 show such finished composite blocks 10 prepared for pressing. They are covered with a sleeve 25 made of copper in order to prevent direct contact between the nickel-titanium of the second hollow block 5 and the pressing die during extrusion and to prevent welding between nickel -Titan and the tool steel to avoid.
  • a disk 26 made of a high-strength copper alloy is also attached to the end faces of the composite blocks 10.
  • the end of the block is closed with a second disk 27 made of a high-strength copper alloy.
  • guide pieces 22 are provided which fill the parting lines 23, 24 or partial sections in the area of the block ends. For example, as shown in FIGS. 14 and 16, they can be molded onto the second disks 27.
  • the disk 26 also has guide pieces 22, since the parting lines 23, 24 pass through the material entirely. 16 is stabilized in the right block end by the webs left during EDM.
  • the powder material used to fill the parting lines 23, 24 preferably consists of hard, temperature-resistant metal oxides such as, for example, aluminum oxide powder, which has the ability to slide during the shaping process in accordance with the shape change of the nickel-titanium material without plastic deformation of the Oxide particles takes place.
  • FIG. 17 shows how the prepared composite block 10 is hot-formed into an extrusion by extrusion. Both direct and indirect extrusion is also possible. Indirect extrusion, which is shown in FIG. 17, is preferred.
  • the composite block 10 is inserted into the block receiver 16 and is pressed and pressed against the press die 17 by the pressing process in which the block receiver 16 and the press die 19 together with the composite block 10 to be pressed move in the direction of the press die 17 lying on a hollow die 20 a deformed composite block 12 in the form of a strand.
  • Figures 19 and 20 show a numerical example of a method according to the invention according to Figures 9 to 18, in which a nickel-titanium press block with a three-zone division after hot forming by extrusion, in which the diameter and wall thickness of the individual parts are reduced , is divided into three pressed products.
  • Composite blocks 10 with a diameter D ⁇ of approximately 110 mm using a block transducer with a diameter of 110 mm and a die with a diameter of approximately 26 mm a pressing ratio of approx. 18: 1.
  • the ratio of the cross-sectional area of the composite block 10 to be pressed, which corresponds to the cross-sectional area of the block receiver, to the cross-sectional area of the strand block 12, which corresponds to the cross-sectional area of the die opening, is 18: 1.
  • the individual zones and inter-zone spaces are also formed with a pressing ratio of 18: 1.
  • the dimensions of the individual zones in the composite block 10 and in the formed composite block 12 shown in FIGS. 19 and 20 are approximately as follows: D- ⁇ 110 mm, D 2 108 mm, D 3 89 mm, D4 76 mm, D 5 63 mm, D g 51 mm, D 11 26 mm, D 22 25.5 mm, D 33 21 mm, D 44 18 mm, D 55 15 mm and D gg 12 mm.
  • a possible further compression of the powder material contained in the parting lines 23, 24 as parting layer is not taken into account during the pressing process, which can lead to a slight deviation in the product dimensions. However, this effect can be compensated for by a corresponding change in the diameter of the individual zones in the composite block 10.
  • the reduced core 3a is a round, full profile with a diameter D gg .
  • the formed first hollow block la is a tube with an outer diameter D 44 and an inner diameter D ⁇ .
  • the formed second hollow block 5a is a second tube 5a with an outer diameter D 22 and an inner diameter D 33 . If a sleeve 25 made of copper was used, it is covered with an approximately 0.25 mm thin copper layer (diameter D- j ⁇ ).

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Description

Verfahren zum Herstellen von Nickel-Titan-Hohlprofilen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Hohlprofilen, insbesondere von Rohren, mit kleinem Außen- durchmesser und/oder kleiner Wanddicke aus einer Nickel- Titan-Legierung durch Umformen eines Verbundblocks.
Bei Legierungen, die annähernd gleich viele Titan- und Nickel-Atome enthalten, sind besondere Effekte zu beobachten, aufgrund derer solche Legierungen auch Formgedächtnis-Legierungen genannt werden. Die Effekte beruhen auf einer thermoelastischen martensitischen Phasenumwandlung, d.h. einer temperaturabhängigen Änderung der Kristallstruktur: bei hohen Temperaturen ist die Legierung austenitisch, bei niedrigen Temperaturen dagegen märte - sitisch. Nach T. W. Duerig und H. R. Pelton, ("TI-NI Shape Memory Alloys", in: Materials Properties Handbook: Titanium Alloys, 1994, S. 1035-1048, ASM International 1994) sind bei Formgedächtnis-Legierungen zwei Eigenschaften zu unterscheiden. Legierungen mit einem Titangehalt zwischen 49,7 bis 50,7 Atom% zeigen ein thermisches Formgedächtnis, auch Shape-Memory genannt, Legierungen mit einem Titangehalt von 49,0 bis 49,4 Atom% ein mechanisches Formgedächtnis, auch Superelastizität genannt. Nicht nur binäre Nickel-Titan-Legierungen können die genannten Eigenschaften haben. Eine Formgedächtnis-Legierung kann ternäre Bestandteile (z.B. Eisen, Chrom oder Aluminium) enthalten. Das Verhältnis von Nickel und Titan sowie die Anwesenheit ternärer Beimengungen haben großen Einfluß auf die Ausprägung des thermischen und mechanischen Formgedächtnisses; schon geringe Konzentrations- änderungen haben große Veränderungen der Materialeigenschaften zur Folge.
Um für Bauelemente das thermische Formgedächtnis zu nutzen, wird eine Legierung mit geeigneter Zusammensetzung durch Abkühlen diffusionslos vom austenitischen Gefüge in das martensitische Gefüge umgewandelt . Eine anschließende Verformung eines aus dieser Legierung gefertigten Bauteiles kann durch eine thermische Behandlung des Bauelementes (Erwärmen auf Temperaturen oberhalb einer bestimmten Umwandlungstemperatur) wieder rückgängig gemacht werden. Dabei wird das ursprüngliche austenitische Gefüge wieder eingestellt, und das Bauteil nimmt seine ursprüngliche Gestalt an. Als Umwandlungstemperatur wird im allgemeinen die Temperatur bezeichnet, bei der der Martensit vollständig in Austenit umgewandelt ist. Die Umwandlungstemperatur ist stark von der Zusammensetzung der Legierung und in dem Bauteil herrschenden Spannungen abhängig. Bauelemente, die ein thermisches Formgedächtnis zeigen, können Bewegungen erzeugen und/oder Kräfte ausüben.
Der mechanische Formgedächtniseffekt tritt bei einem Bauelement aus einer geeigneten Legierung mit austenitischem Gefüge ein, wenn das Bauelement in einem bestimmten Temperaturbereich verformt wird. Dabei ist es für das austenitische Gefüge energetisch günstiger, sich spannungsin- duziert in Martensit umzuwandeln, wobei elastische Dehnungen von bis zu zehn Prozent erreicht werden können. Bei Entlastung kehrt das Gefüge wieder in die austeniti- sche Phase zurück. Bauelemente aus einer derartigen Legierung können daher Deformationsenergie speichern.
Legierungen, die die oben beschriebenen Eigenschaften zeigen, sind unter den Begriffen Nickel-Titan, Titan- Nickel, Tee-nee, MemoriteR, Nitinol, TinelR, FlexonR und Shape-Memory-Alloys bekannt. Dabei beziehen sich diese Begriffe nicht auf eine einzelne Legierung mit einer bestimmten Zusammensetzung, sondern auf eine Familie von Legierungen, die die beschriebenen Eigenschaften zeigen.
In vielen technischen Gebieten, z.B. der Medizintechnik und der Feinmechanik, besteht aufgrund der besonderen Eigenschaften von Nickel-Titan-Legierungen ein großes Interesse, aus Formgedächtnis-Legierungen gefertigte Bauelemente einzusetzen. In der Mechanik können sie beispielsweise für Schalt-, Stellelemente oder Ventile benutzt werden. Auch in der Medizintechnik werden Formgedächtnis-Legierungen in zunehmendem Maße verwendet, da Bauteile aus derartigen Legierungen körperverträglich und ermüdungsfest sind und im Falle von superelastischen Legierungen auch eine hohe Knickfestigkeit zeigen.
Beispiele für den Einsatz von Nickel-Titan-Legierungen in der Medizintechnik, bei denen das Vorprodukt ein Nickel- Titan-Rohr ist, sind Gefäßstützen (Stents) , Katheder sowie endoskopische und laparoskopische Instrumente für die minimalinvasive Diagnose und Therapie. Auch in den anderen Anwendungsgebieten werden Vorprodukte in Form von Rohren, insbesondere mit kleinem Außendurchmesser, benötigt.
Einer breiten Anwendung von Nickel-Titan-Rohren und Instrumenten steht u.a. ihr derzeit hoher Preis, der durch die bisher angewandten Fertigungsverfahren bei der Herstellung von röhrenförmigen Vorprodukten bedingt ist, entgegen.
Nach dem Stand der Technik werden Nickel-Titan-Rohre durch Bohren geschmiedeter Stangen hergestellt. Die Rohre weisen typischerweise Außendurchmesser zwischen 12 und 25 mm auf. Aufgrund der schlechten Zerspanbarkeit von Nickel-Titan-Legierungen ist das Verfahren des Tieflochbohrens sehr aufwendig, was zu kurzen Standzeiten der Werkzeuge, langen Bearbeitungsdauern und hohen Herstellungskosten für die Rohre führt. Ferner tritt, insbesondere bei der Fertigung dünnwandiger Rohre, ein hoher Materialverlust auf. Die beim Bohren oder Drehen anfallenden Späne stellen verlorenes Material dar.
In der europäischen Patentschrift 0459909 wird die Herstellung eines nahtlosen Rohres aus einer korrosionsfesten, nahezu ausschließlich aus Titan bestehenden Legierung mittels eines Rohrstrangpreßverfahrens beschrieben. Bei dem Verfahren wird ein gelochter Preßblock mittels Stempeldrucks durch einen zwischen einem Preßdorn und einer Matrize verbleibenden Spalt hindurchgepreßt. Die auf diese Weise erzeugten Rohre dienen nach anschließenden Umformungsarbeiten beispielsweise zum Erwärmen von Solen in Meerwasser-Entsalzungsanlagen und als Wärmeaustauscherrohre in chemischen Produktionsanlagen.
Wegen des ungünstigen Umformverhaltens von Nickel-Titan- Legierungen können mit Hilfe eines derartigen Verfahrens nur Rohre mit einem großen Außendurchmesser (oberhalb von 40 mm) ökonomisch gepreßt werden. Das Auspressen von Rohren mit kleinerem Durchmesser ist mit hohen Kosten verbunden, da aufgrund fehlender Kühlmöglichkeiten keine ausreichende Werkzeugstandzeit in dem durch das Material vorgegebenen Temperaturbereich erreicht werden kann. Außerdem brechen die Dorne beim Auspressen leicht ab, was zu einem hohen Ausschuß führt. Aufgrund der sehr hohen Umformfestigkeit von Nickel-Titan-Legierungen bei sehr hohen Umformtemperaturen ist die Herstellung von kleinen, dünnen Rohren nicht möglich, da der Preßdorn der auftretenden, hohen thermischen und mechanischen Zugbelastung nicht standhalten kann. Nach dem Stand der Technik werden daher zunächst Rohre mit großem Außendurchmesser durch Rohrstrangpressen vorgefertigt und anschließend in weiteren aufwendigen Arbeitsschritten, z.B. Ziehen und Walzen, zu Rohren mit gewünschtem kleinen Durchmesser umgeformt. Aufgrund der Vorteile von Nickel-Titan-Legierungen, insbesondere von Formgedächtnis-Legierungen, werden die mit der aufwendigen Herstellung verbundenen Kostennachteile aber nach dem Stand der Technik in Kauf genommen.
Aus dem Dokument WO 96/17698 ist ein Verfahren des Strangpressens von Verbundblöcken mit verlorenem Kern ohne Preßdorn bekannt. Ein hohlgebohrter Block wird mit einem Stahlkern gefüllt und dann einmal gemeinsam verpreßt. Die Geometrie des hohlför igen Preßprodukts ist von der Geometrie der Preßmatrize und des Kerns abhängig. Je größer der Kern im Verhältnis zur Preßmatrize ist, umso dünnwandiger wird das Rohr. Beim Herstellen dünnwandiger Rohre führt somit diese Art der Blockvorbereitung zu einem erheblichen Materialabfall, der bei Nickel- Titan-Legierungen einen bedeutsamen Nachteil darstellt. Darüber hinaus hat dieses Verfahren den Nachteil, daß durch den Umformprozeß der aus Metall bestehende Kern eine innige Metallverbindung mit dem Nickel-Titan-Material im Preßprodukt bildet, so daß zum Entfernen des Kernmaterials, um ein hohlfδrmiges Preßprodukt zu erhalten, ein zusätzlicher Verarbeitungsschritt benötigt wird, zum Beispiel durch Ausbohren und/oder chemisches Auslösen des Kernmaterials. Ferner ist nicht in allen Fällen durch das einmalige Strangpressen des Verbundblocks eine gewünschte, kleine Profilabmessung erzielbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem Hohlprofile bzw. Rohre aus einer Nickel-Titan-Legierung mit einem kleinen Außendurchmesser und/oder einer kleinen Wanddicke kostengünstig und effizient hergestellt werden können. Die Hohlprofile bzw. Rohre können beliebige Querschnittsformen aufweisen. Unter einem Rohr wird dabei auch ein beliebiges Profilrohr oder Hohlprofil verstanden.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zur Herstellung von Hohlprofilen mit kleinem Außendurchmesser und/ oder kleiner Wanddicke aus einer Nickel-Titan-Legierung durch Umformen eines Verbundblocks vorgeschlagen, bei dem in einem ersten Schritt ein Verbundblock gebildet wird, der einen massiven Kern aus einer Nickel-Titan-Legierung, einen den Kern umgebenden ersten Hohlblock aus einer Nickel-Titan-Legierung und einer Trennschicht zwischen dem ersten Hohlblock und dem Kern umfaßt. In einem zweiten Schritt wird der Verbundblock mittels eines Umformverfahrens umgeformt, und in einem dritten Schritt werden der zu einem ersten Hohlprofil umgeformte erste Hohlblock und der umgeformte Kern aus dem umgeformten Verbundblock entfernt .
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, sowohl den Bearbeitungsaufwand als auch die verlorene Abfallmenge an Nickel-Titan dadurch zu reduzieren, daß der Hohlblock beim Umformen mit einem Tern stabilisiert wird, wobei der Kern selbst umgeformt wird und sowohl hinsichtlich seines Materials als auch seiner Form für eine weitere Verwen- dung geeignet ist. Der Kern_-besteht erfindungsgemäß aus einer Nickel-Titan-Legierung. Der zu einem massiven Vollprofil umgeformte Kern kann beispielsweise als Draht weiterverwendet oder als Halbzeug in weiteren Bearbeitungsschritten benutzt werden. Auf diese Weise entsteht weniger Abfall des in der Herstellung aufwendigen Aus- gangsmaterials .
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit ein Nickel-Titan-Ausgangsmaterial in Zonen unterteilt, und die Zwischenräume werden mit einer Trennschicht, beispielsweise einem nichtmetallischen Pulvermaterial, das sich mit Nickel-Titan nicht verbindet, aufgefüllt. Die Abmessungen der Umformprodukte hängen von der Geometrie und der Zonenteilung in dem Verbundblock und dem gewählten Umformverfahren ab. Die Anzahl und der Durchmesser der einzelnen Zonen ist dabei variabel gestaltbar und richtet sich nach den gewünschten Umformprodukten.
Das die Trennschicht bildende Material hat die Aufgabe, eine Berührung der einzelnen Zonen vor, während und nach dem Umformen des Verbundblocks zu verhindern, um zu erreichen, daß die einzelnen Teile des umgeformten Verbund- blocks nach dem Umformen leicht voneinander getrennt werden können.
Für das Umformverfahren kommen verschiedene Varianten in Betracht. Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung kann darin bestehen, daß der Verbundblock mittels eines Strangpreßverfahrens umgeformt wird, bei dem der Verbundblock als erwärmter Preßblock in einen Blockaufnehmer einer Presse eingesetzt und mittels Drucks eines Preßstempels durch die Öffnung einer Matrize gepreßt wird. Dabei wird der Hohlblock, der zu einem Rohr stranggepreßt werden soll, beim Strangpressen mit einem darin eingesetzten Kern stabilisiert. Der Ker jcann nach dem Strangpressen entfernt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insoweit mit einem Schritt aus einem Mehrfach-Verbund-sträng- preßverfahren vergleichbar, wobei aber im Gegensatz zum klassischen, mehrfach wiederholten Verbundstrangpressen ein einmaliges Strangpressen ausreichen kann und ferner die Komponenten des erhaltenen Verbundstranges nach dem Strangpressen zur Gewinnung eines Rohres vereinzelt werden.
Im Unterschied zum Rohrstrangpressen kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beim Auspressen mit einem geringeren Druck gearbeitet werden, wodurch der Verschleiß der Preßwerkzeuge verringert ist. Aufgrund des kleinen Außendurchmessers des erfindungsgemäß gefertigten Rohres kann bei eventuell nachfolgenden Umformarbeiten, beispielsweise beim Kaltziehen, mit einem kleineren Außendurchmesser begonnen werden, wodurch Bearbeitungsschritte eingespart werden.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung eines Umformverfahrens kann darin bestehen, daß der Verbundblock mittels eines Warmzieh-, Kaltzieh-, Walz-, Rundhämmer- oder Pilger-Verfahrens umgeformt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Umformen wird das entstehende Rohr während des Umformens durch den Kern stabilisiert. Im Rahmen der Erfindung hat sich herausgestellt, daß es auf diese Weise trotz des ungünstigen Umformverhaltens von Nickel-Titan-Legierungen, das in der Regel ein Umformverhältnis beim Strangpressen von maximal 20:1 ermöglicht, möglich ist, Rohre mit kleinem Außendurchmesser und/oder kleiner Wanddicke durch Umformen und damit effektiv und kostengünstig herzustellen. Zur Herstellung eines umzuformenden Ausgangsverbundblocks stehen erfindungsgemäß verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Eine erste, vorteilhafte Variante kann darin bestehen, daß der Kern in den ersten Hohlblock, insbesondere in ein Hohlprofil, bevorzugt in ein Rohr eingeschoben wird. Ein Rohr ist im Rahmen der Erfindung ein rohr- fόrmiger Hohlblock. Hierbei kann, wie auch bei den anderen erfindungsgemäßen Varianten, vorteilhaft vorgesehen sein, daß der Verbundblock mit einem oder mehreren weiteren Hohlblöcken gebildet wird, die um den ersten Hohlblock angeordnet sind und jeweils eine Trennschicht zwischen benachbarten Hohlblöcken aufweisen, wobei in dem zweiten Schritt der mehrere Hohlblöcke und den Kern umfassende Verbundblock umgeformt wird. Dies ist besonders vorteilhaft, um mehrere dünnwandige Hohlprofile in einem Umformschritt herzustellen.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn der Verbundblock durch Ineinanderschieben von mehreren Hohlblöcken, insbesondere von Hohlprofilen, bevorzugt von Rohren, gebildet wird. Insoweit gilt die vorstehende und folgende Beschreibung gleichermaßen für Hohlblöcke, Hohlprofile und Rohre .
Zum Herstellen eines Hohlblocks mit einem zum Einschieben des Kerns vorgesehenen Loch kann das Loch in einen Block oder durch einen Block gebohrt oder gefräst werden. Da hierbei zwangsläufig ein Materialverlust eintritt, auch wenn das Loch, ausgenommen der Trennspalt, durch ein massives Profil aufgefüllt wird, wird gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung vorgeschlagen, daß der Verbundblock, ein Hohlblock oder der Kern durch Senk- oder Drahterodierung eines massiven Nickel-Titan-Blocks, eines Nickel-Titan-Hohlblocks oder eines anderen Nickel-Titan- Werkstücks gebildet wird. Im Rahmen der Erfindung hat sich überraschend gezeigt, daß mittels eines Funkenerosionsverfahrens, insbesondere mittels Senk- oder Drahterodierung, Nickel-Titan-Werkstücke vorteilhaft bearbeitet werden können, insbesondere beim Heraus- oder Abtrennen eines Teils, insbesondere eines massiven Kerns oder eines Hohlprofils, aus einem Block. Bevorzugt ist die Verwendung einer rohrförmigen Elektrode aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.
Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf die Herstellung von Rohren aus einer Nickel-Titan-Legierung, insbesondere einer oben beschriebenen Formgedächtnis-Legierung. Dabei können die verwendeten Legierungen binär sein oder auch ternäre Beimengungen enthalten. Vorzugsweise dient das Verfahren zum Herstellen von Rohren aus einer Nickel-Titan-Legierung mit superelastischen Eigenschaften. Auch der zu einem massiven Vollprofil umgeformte Kern hat bevorzugt superelastische Eigenschaften.
Beim Strangpressen hängt der Außendurchmesser des verpreßten Verbundblocks und damit des äußeren Rohres von dem Durchmesser der Öffnung der Matrize ab, der nicht beliebig klein wählbar ist. Je kleiner er ist, umso größer ist der zum Auspressen aufzubringende Druck und umso geringer ist die Standzeit der Preßwerkzeuge. Um den Außendurchmesser eines Rohres weiter zu reduzieren, wird der umgeformte Verbundblock in einer vorteilhaften Ausführung vor dem Entfernen des reduzierten Kerns in ein zweites Loch, das in einen weiteren Hohlblock aus einer Nickel- Titan-Legierung eingearbeitet wurde, unter Bildung eines Mehrfachverbundblockes, der den weiteren, gelochten Hohlblock und den ersten, umgeformten Verbundblock mit dem reduzierten Kern umfaßt, eingesetzt, wobei der so gebildete zweite Verbundblock eine Trennschicht zwischen dem als Kern dienenden ersten Verbundblock und dem zweiten Verbundblock aufweist. Aus dem Mehrfachverbundblock wird anschließend mittels Strangpressen eine Mehrfachverbundstange ausgepreßt, wobei der Durchmesser des weiteren, gelochten Hohlblocks, des ersten Hohlblocks und des Kerns reduziert werden. Dies gilt entsprechend auch für Verbundblöcke mit mehreren Schichten und für andere Umformverfahren.
Der umgeformte Mehrfachverbundblock umfaßt ein von dem zweiten, reduzierten Hohlblock gebildetes zweites Rohr, das erste, weiter reduzierte Rohr und den weiter reduzierten Kern. Nach dem Umformen werden die Rohre vereinzelt und der reduzierte Kern entfernt. Bei diesem zweistufigen Umformen, beispielsweise Strangpressen, kann mit einer größeren Matrizenöffnung gearbeitet werden, was sich vorteilhaft auf den aufzubringenden Preßdruck und die Standzeit der Preßwerkzeuge auswirkt. Nach dem Vereinzeln der Rohre und dem Entfernen des Kerns stehen zwei stanggepreßte Rohre mit unterschiedlichen Durchmessern zur Weiterverarbeitung zur Verfügung.
Wenn noch kleinere Abmessungen, insbesondere für das innerste, kleinste Rohr, gewünscht werden, kann es vorteilhaft sein, das Umformen bzw. Strangpressen ein- oder mehrfach zu wiederholen, bis ein vorgegebener Außendurchmesser für das kleinste Rohr erreicht ist . Dazu wird die umgeformte Mehrfachverbundbock, bevor die Rohre vereinzelt und der Kern entfernt werden, in ein weiteres Loch, das in einen weiteren Hohlblock eingearbeitet wurde, eingesetzt und der dadurch gebildete weitere Mehrfachverbundblock unter Erzeugung eines weiteren Rohres umgeformt. Das Einsetzen und Umformen kann wiederholt werden, wobei durch jede Umformstufe ein weiteres Rohr gebildet wird. Nach Abschluß dieses mehrstufigen Umformens bzw. Strangpressens (Mehrfachverbundstrangpressen) werden sämtliche gebildeten Rohre vereinzelt und der reduzierte Kern entfernt .
Beim ein- oder mehrfachen Wiederholen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann aber auch so vorgegangen werden, daß der ein- oder mehrfach reduzierte Kern und das erste, innerste Rohr aus dem reduzierten Block entfernt werden (gegebenenfalls zusammen mit einem oder mehreren, an das erste Rohr angrenzenden weiteren Rohren) , anschließend in den verbleibenden Block ein anderer Kern aus Nickel-Titan oder einem anderen Material eingesetzt, der so gebildete Block umgeformt und dabei weiter reduziert wird, und zwar entweder in der vorliegenden Form oder eingesetzt in einen weiteren Hohlblock. Auf diese Weise ist es möglich, Rohre mit einem einheitlichen, kleinen Durchmesser herzustellen, wobei weniger Rohre größeren Durchmessers anfallen.
Vor dem Umformen wird in den umzuformenden Block bzw. in die benötigten Hohlblöcke jeweils ein Loch eingearbeitet, dessen Durchmesser vorzugsweise zwischen 10 mm und 60 mm, bevorzugt zwischen 20 mm und 40 mm beträgt. Das Loch wird vorzugsweise erodiert, kann jedoch auch auf eine andere Art und Weise in das Material hineingearbeitet werden. Dabei hat ein durchgängiges Loch gegenüber einem Sackloch den Vorteil, daß beim Umformen, insbesondere Auspressen, kein massives Stück, d.h. ein Abschnitt der ausgepreßten Stange ohne Kern, entsteht, das zur Erzeugung eines Rohrs erst abgetrennt werden muß und verlorenes Material darstellt.
In einer bevorzugten Variante des Verfahrens wird der Verbundblock auf einen Durchmesser umgeformt, der im wesentlichem dem Durchmesser des ersten Loches des Kerns vor dem Umformen entspricht- Auf diese Weise ist der umgeformte Verbundblock in einen weiteren Hohlblock mit demselben Kerndurchmesser wie der vorherige Hohlblock zur Bildung eines Mehrfachverbundblockes einsetzbar.
Vorteilhafterweise kann auch der Mehrfachverbundblock auf einen Durchmesser umgeformt werden, der im wesentlichem dem Durchmesser des als Kern dienenden Verbundblocks vor dem Umformen entspricht. Auf diese Weise ist der umgeformte Mehrfachverbundblock in einen weiteren Hohlblock mit demselben Kerndurchmesser zur Bildung eines weiteren Mehrfachverbundblockes einsetzbar.
Der erforderliche Durchmesser des umgeformten Verbundblocks bzw. Mehrfachverbundblocks wird durch eine entsprechende Dimensionierung der Umformwerkzeuge erlangt. Diese Verfahrensvarianten haben u.a. den Vorteil, daß in die benötigten Hohlblδcke Löcher mit einheitlichem Durchmesser eingearbeitet werden können, was den Aufwand für die Blockvorbereitung reduziert.
Vorteilhafterweise beträgt der Außendurchmesser des ersten Hohlblocks bzw. Rohres nach dem ersten Umformschritt weniger als 40 mm, bevorzugt weniger als 25 mm. Je kleiner der Außendurchmesser des erzeugten Rohres bzw. der erzeugten Rohre ist, umso stärker verringern sich die Kosten für die nachfolgenden Umformarbeiten. Die Wanddicke eines dünnwandigen Rohres beträgt in der Regel zwischen 2% und 10% des Außendurchmessers.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Verbundblock,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Kern-Preßblock,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Kern,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum direkten Strangpressen,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum indirekten Strangpressen,
Fig. 6 einen ausschnittsweisen Längsschnitt durch einen umgeformten Verbundblock,
Fig. 7 einen Längsschnitt durch einen Mehrfachverbundblock,
Fig. 8 einen ausschnittsweisen Längsschnitt durch einen umgeformten Mehrfachverbundblock,
Fig. 9 einen Querschnitt eines in drei Zonen geteilten, drahterodierten Blocks,
Fig. 10 einen Längsschnitt zu Fig. 9,
Fig. 11 einen Querschnitt eines in drei Zonen geteilten, senkerodierten Blocks,
Fig. 12 einen Längsschnitt zu Fig. 11,
Fig. 13 den zum Strangpressen vorbereiteten Block gemäß Fig. 9,
Fig. 14 einen Längsschnitt zu Fig. 13,
Fig. 15 dem zum Strangpressen vorbereiteten Block gemäß Fig. 11,
Fig. 16 einen Längsschnitt zu Fig. 15,
Fig. 17 einen Längsschnitt des Verbundblocks aus Fig. 14 oder 16 beim Strangpressen,
Fig. 18 das Vereinzeln des umgeformten Verbundblocks aus Fig. 17,
Fig. 19 einen Querschnitt entsprechend Fig. 11 und
Fig. 20 den Querschnitt der Fig. 19 nach dem Umformen.
Der in Figur 1 dargestellte erste Hohlblock 1 ist aus einer Formgedächtnislegierung mit superelastischen Eigenschaften gefertigt, beispielsweise geschmiedet. In den ersten Hohlblock 1, der einen Durchmesser d2 von ca. 100 mm hat, ist ein durchgängiges erstes Loch 7 gearbeitet, z.B. gebohrt. Der Durchmesser dl des ersten Loches 7 beträgt in etwa 30 mm.
Zum Verbessern des Fließverhaltens und zum Herabsetzen des Werkzeugverschleißes beim Umformen, z.B. Strangpressen, wird vor dem Umformen auf die Mantelfläche des ersten Hohlblockes 1 eine Gleitschicht 2 aus einem rei- bungsvermindernden Material aufgebracht. Im gezeigten Ausführungsbeispiel umfaßt die Gleitschicht 2 Kupfer und wurde dadurch aufgebracht, daß der erste Hohlblock 1 in ein Kupferrohr mit einem entsprechenden Durchmesser eingesteckt wurde. Eine Kupferschicht kann beispielsweise auch durch Plasma- oder Flammspritzen aufgetragen werden.
Die Gleitschicht 2 kann auch aus Glas oder einem anderen Material bestehen. Kupfer hat gegenüber einer beim Strangpressen häufig verwendeten Gleitschicht aus Glas den Vorteil, daß es bei einem nachfolgenden Kaltumfor- mungsprozeß, beispielsweise Ziehen, ebenfalls als Gleitschicht dienen kann. Eine Glas-Gleitschicht dagegen muß zuvor entfernt werden, um die Umformwerkzeuge zu schonen. Die Gleitschicht 2 kann aber auch andere Materialien, insbesondere als Paste aufgetragenen Graphit oder eine als Schlamm aufgebrachte keramische Substanz umfassen.
Der Gesamtdurchmesser d2 des ersten Hohlblockes 1 einschließlich aufgebrachter Gleitschicht 2 (im folgenden als Preßblockdurchmesser bezeichnet) beträgt im gezeigten Ausführungsbeispiel in etwa 110 mm. Auf eine Gleitschicht 2 könnte verzichtet werden, wenn für die Umformwerkzeuge (z.B. beim Strangpressen) ein Material verwendet wird, zu dem die Nickel-Titan-Legierung im wesentlichen keine Nei- gung zum Verschweißen zeigt-, oder ein Umformverfahren gewählt wird, bei dem es nicht zu einem Verschweißen kommt.
In das erste Loch 7 des ersten Hohlblockes 1 wird unter Bildung eines Verbundblockes 10 ein Kern 3 eingesetzt, dessen Durchmesser d3 einschließlich einer aufgebrachten Trennschicht 4 (im folgenden als Kerndurchmesser bezeichnet) im wesentlichen dem Durchmesser dl des ersten Loches 7 entspricht. Der Kern 3 umfaßt ebenfalls eine Nickel- Titan-Legierung. Er zeigt somit beim Auspressen dasselbe Fließverhalten wie der erste Hohlblock 1. Dabei wurde gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung für den Kern 3 eine Legierungszusammensetzung gewählt, die eine höhere Mar- tensit-Austenit-Umwandlungstemperatur als die Legierung des ersten Hohlblockes 1 hat . Dies ist vorteilhaft für das weiter unten beschriebene Entfernen des Kerns 3 nach dem Umformen.
Der Kern 3 hat die Aufgabe, den ersten Hohlblock 1 beim Umformen in ein erstes Rohr zu stabilisieren. Ferner bestimmt er, da sein Durchmesser beim Auspressen ebenfalls reduziert wird, den Innendurchmesser des ersten Rohres. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn der Kern 3 ein Material aufweist, das beim Umformen ein ähnliches oder gleiches Fließverhalten wie die Legierung des ersten Hohlblockes 1 zeigt . Auf diese Weise werden der Verbundblockdurchmesser d2 und der Kerndurchmesser d3 beim Umformen gleichmäßig reduziert, d.h. das Verhältnis der Querschnittsfläche des ersten Hohlblocks 1 einschließlich Gleitschicht 2 zu der Querschnittsfläche des Kerns 3 einschließlich Trennschicht 4 bleibt vor und nach dem Umformen im wesentlichen gleich. Somit können der Außen- und Innendurchmesser des resultierenden Rohres für gegebene Ausgangsbedingungen (insbesondere Verbundblockdurchmesser d2, Kerndurch- messer d3, Durchmesser der-Matrizenöffnung beim Strangpressen) berechnet werden.
Bei einem relativ dünnwandigen resultierenden Rohr, d.h. bei kleineren Querschnittsflächenverhältnissen von Rohr zu Kern 3, kann es von Vorteil sein, wenn der Kern 3 ebenfalls eine superelastische Legierung umfaßt.
In einer alternativen Ausführung, insbesondere beim wiederholten Umformen mit einem ausgetauschten Kern, kann der Kern 3 eine Kupfer-Chrom-Legierung umfassen. Diese zeigt ein ähnliches Fließverhalten wie die Nickel-Titan- Legierung des ersten Hohlblocks 1.
Um zu verhindern, daß sich der Kern 3 und der erste Hohl- block 1 beim Umformen unlösbar miteinander verbinden, wird auf den Kern 3 eine temperaturbeständige Trennschicht 4 aus Kupfer aufgebracht. Sie kann auch andere Materialien, insbesondere Graphit, Talcum, eine Mischung mit Talcum oder eine keramische Substanz wie zum Beispiel Aluminiumoxid, Magnesiumoxid oder Titanoxid aufweisen. Die Trennschicht 4 hat die Aufgabe, eine Diffusion von Atomen zwischen Kern 3 und erstem Preßblock 1 beim Auspressen zu unterbinden.
In einer Verfahrensvariante wird ein mittels eines Umformverfahrens hergestellter Kern 3 verwendet . Zur Herstellung des Kerns 3 wird, wie in Figur 2 gezeigt, auf einen massiven Kern-Preßblock 11 aus einer Formgedächtnis-Legierung eine Gleitschicht 4a aus Kupfer aufgebracht. Mittels eines bekannten Umform- , z.B. eines Strangpreßverfahrens, wird der Kern-Preßblock 11 zu einem Strang umgeformt. Der Strang wird abgelängt, wodurch der eigentliche Kern 3 gebildet wird (Figur 3) . Die auf der Außenfläche des Kerns 3 befindliche Gleitschicht 4a kann dabei im weiteren Verfahren-als Trennschicht 4 dienen. Alternativ kann der Kern 3 mittels des erfindungsgemäßen Umform- bzw. Strangpreßverfahrens hergestellt werden.
Der Kern 3 wird, entsprechend der Darstellung in Figur 1, in das erste Loch 7 des ersten Hohlblocks 1 eingesetzt . Wenn der Kern-Preßblock 11 ohne Gleitschicht 4a ausgepreßt worden ist, wird auf den resultierenden Kern vor dem Einsetzen eine gesonderte Trennschicht 4 aufgebracht.
Das Umformen durch Strangpressen wird anhand der Figuren 4 und 5 erläutert. Zum Auspressen wird der Verbundblock 10 aus Figur 1, der den ersten Hohlblock 1 und den Kern 3 umfaßt, auf ca. 900 bis 950 °C erwärmt und in einen be- heizbaren Blockaufnehmer 16 einer Presse 15 eingesetzt. Die Temperatur hängt von den verwendeten Legierungen ab. Für andere Nickel-Titan-Legierungen kann die Auspreßtemperatur typischerweise etwa zwischen 850 und 950 °C liegen. Um bei einem Verbundblock 10 mit unterschiedlichem Hohlblock- und Kernmaterial das gleichmäßige Fließen von Kern 3 und Hohlblock 1 zu verbessern, können diese vor dem Auspressen voneinander getrennt auf unterschiedliche Temperaturen erwärmt, anschließend zusammengefügt und dann gemeinsam zu einem umgeformten Verbundblock 12 ausgepreßt werden.
Beim Auspressen durch direktes Strangpressen (Figur 4) stehen die Matrize 17 und der Blockaufnehmer 16 fest. Ein Preßstempel 19 bewegt sich in Pfeilrichtung 21 nach unten und übt einen Druck auf den Verbundblock 10 aus. Dadurch bewegt sich dieser relativ zu dem Blockaufnehmer 16 und wird durch die Öffnung 18 der Matrize 17 als umgeformter Verbundblock 12 ausgepreßt. Bevorzugt wird der Verbundblock 10 durch indirektes Strangpressen (Figur 5) ausgepreßt. Dabei bewegt sich die an einer Spitze eines Hohlstempels 20 angeordnete Matrize 17 zum Auspressen infolge des Drucks des Preßstempels 19 relativ zu dem Blockaufnehmer 16 und dem darin eingesetzten Verbundblock 10. Sie dringt dabei in den Verbundblock 10 ein, während dieser durch die Öffnung 18 der Matrize 17 und den Hohlstempel 20 als umgeformter Verbundblock 12 ausgepreßt wird. Das indirekte Strangpressen hat gegenüber dem direkten den Vorteil, daß zwischen randnahen und weiter innengelegenen Bereichen des Verbundblockes 10 beim Auspressen im wesentlichen keine unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten auftreten. Dadurch resultiert ein weitgehend homogener Materialfluß, der einer unerwünschten Wanddickenschwankung des entstehenden Rohres entgegenwirkt. Aufgrund des geringeren Preßkraftbedarfs und besseren Materialflusses infolge der fehlenden Reibung zwischen Aufnehmer und Preßblock ist das indirekte Strangpressen bevorzugt .
Durch direktes, indirektes oder ein anderes, beispielsweise hydrostatisches Strangpressen oder ein anderes Umformverfahren wird aus dem ersten, gelochten Hohlblock 1 als umgeformter Hohlblock la ein erstes Rohr und aus dem ursprünglichen Kern 3 ein reduzierter Kern 3a gebildet, die Komponenten des umgeformten Verbundblocks 12 sind (Figur 6) . Ein Vergleich zwischen Figur 1 und Figur 6 zeigt, daß sowohl der Verbundblockdurchmesser d2 als auch der Kerndurchmesser d3 durch das Auspressen reduziert wurden. Zu erkennen ist, daß das Preßverhältnis so gewählt wurde, daß der Außendurchmesser d4 des umgeformten Verbundblocks 12 im wesentlichen dem Kerndurchmesser d3 entspricht. Das Preßverhältnis beträgt im vorliegenden Fall ca. 14 : 1. Infolge des gleichen Umformverhaltens zwischen Kern 3 und erstem Hohlblock 1 resultiert aus dem Preßvorgang ein erstes Rohr-la mit einem Außendurchmesser von ca. 30 mm und einem Innendurchmesser von ca. 8 mm. Das Verhältnis von Außen- zu Innendurchmesser bleibt beim Strangpressen erhalten.
Wenn diese Abmessungen für die nachfolgenden Umformarbeiten bereits ausreichend sind, kann der reduzierte Kern 3a nach einmaligem Umformen aus dem Rohr la entfernt werden. Zum Entfernen bzw. Lockern des reduzierten Kerns 3a wird der umgeformte Verbundblock 12 mechanisch behandelt. Dazu wird der reduzierte Kern 3a bei einer Temperatur unterhalb der Umwandlungstemperatur des Kernmaterials gedehnt. Bei dieser Temperatur bleibt das Rohr la im austenitischen und damit elastischen Zustand, während der reduzierte Kern 3a im martensitischen Bereich plastisch verformt wird. Infolge der DehnungsSpannung wird der reduzierte Kern 3a länger (Längenänderung bis zu 10%) und dünner und kann somit aus dem Rohr la herausgezogen werden. Umfaßt der Kern 3 eine superelastische Legierung, erfolgt das Dehnen bevorzugt durch Einspannen des reduzierten Kerns 3a auf der einen Seite und des Rohres la auf der anderen Seiten. Weitere Möglichkeiten, den reduzierten Kern 3a auf mechanischem Wege zu lockern, bieten insbesondere Walken, Rollen und Abhämmern des Verbundblocks 12.
Zum Entfernen bzw. Lockern des reduzierten Kernes 3a kann der Verbundblock 12 auch einer thermischen Schockbehandlung unterzogen werden. Infolge von Material- bzw. Zusammensetzungsunterschieden werden dabei Spannungen induziert, die zum Lösen des reduzierten Kerns 3a in dem Rohr la führen, so daß dieser anschließend herausgezogen werden kann. Bei der Verwendung eines Kerns aus einer Legierung, die keine Nickel-Titan-Legierung ist, kann der Verbundblock 12 auch chemisch behandelt werden, um den re- duzierten Kern 3a zu entfernen bzw. zu lockern. Bei einem Kern aus einer Kupfer-Chrom-Legierung wird der Verbundblock beispielsweise mit Salpetersäure behandelt, die den reduzierten Kern 3a auf- bzw. anlöst, das Nickel-Titan- Rohr jedoch nicht angreift. Mechanische, chemische oder thermische Methoden zum Entfernen bzw. Lockern des reduzierten Kerns 3a können auch in Kombination angewendet werden.
Bei Verwendung geeigneter Materialien als Trennschicht 4 können die Teile ohne aufwendige Verfahren, beispielsweise durch einfaches Auseinanderziehen, vereinzelt werden.
Um zu noch kleineren Außen- und Innendurchmessern für das erste Rohr la zu kommen, kann der Verbundblock 12 vor dem Entfernen des reduzierten Kerns 3a abgelängt und in ein zweites Loch 8, das in einen zweiten Hohlblock 5 aus einer Nickel-Titan-Legierung eingearbeitet wurde, unter Bildung eines Mehrfachverbundblockes 13 eingesetzt werden, was Figur 7 zeigt. Die Gleitschicht 2 auf dem Verbundblock 12 aus dem ersten Preßvorgang kann dabei als Trennschicht dienen. Wurde der Verbundblock 10 ohne Gleitschicht 2 ausgepreßt, wird auf den Verbundblock 12 vor dem Einsetzen in das zweite Loch 8 eine separate Trennschicht aufgebracht. Auf die Außenfläche des zweiten Hohlblocks 5, dessen Außendurchmesser d5 einschließlich Gleitschicht 6 ca. 110 mm beträgt, ist ebenfalls eine Gleitschicht 6 aus Kupfer aufgebracht. Der Durchmesser d6 des zweiten Loches 8 entspricht dem Durchmesser dl des ersten Loches 7 in dem ersten Hohlblock 1.
Der so gebildete Mehrfachverbundblock 13 , der den zweiten Hohlblock 5 und den Verbundblock 12 mit reduziertem Kern 3a umfaßt, wird beispielsweise mittels Strangpressen zu einem Außendurchmesser d7, der im wesentlichen dem Durch- messer d6 des eingesetzten Verbundblocks 12 entspricht, umgeformt (Figur 8) . Dabei werden die Durchmesser des zweiten Hohlblockes 5 und des Verbundblocks 12 reduziert . Der umgeformte Mehrfachverbundblock 14 umfaßt ein von dem zweiten Hohlblock 5 gebildetes zweites Rohr 5a, das weiter reduzierte, erste Rohr la und den weiter reduzierten Kern 3a. Da beim Auspressen dasselbe geometrische Pressungsverhältnis wie im ersten Preßschritt verwendet wurde, weist das zweite Rohr 5a einen Außendurchmesser von ca. 30 mm und einen Innendurchmesser von ca. 8 mm, das erste Rohr la dagegen einen Außendurchmesser von ca. 8 mm und einen Innendurchmesser von ca. 2,2 mm auf.
Nach dem Umformen wird der reduzierte Kern 3a, wie oben beschrieben, entfernt. Die konzentrischen, ineinander angeordneten Rohre la, 5a des Mehrfachverbundblocks 14 werden vereinzelt. Die somit hergestellten Rohre la, 5a stehen für weitere Umformungsarbeiten zur Verfügung. Der umgeformte Kern 3a kann als Draht verwendet oder weiterverarbeitet werden.
An die zweite Umformstufe können sich vor dem Vereinzeln der Rohre la, 5a und dem Entfernen des reduzierten Kerns 3a des Mehrfachverbundblocks 14 ein oder mehrere weitere Umformstufen anschließen, um die Rohrdurchmesser noch weiter zu reduzieren. Dabei kann, wie weiter oben erläutert, auch der reduzierte Kern mit einem oder mehreren innenliegenden Rohren entfernt und durch einen anderen Kern ersetzt werden.
Die Figuren 9 bis 20 veranschaulichen ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen von dünnen Hohlprofilen aus Nickel-Titan-Legierungen, bei dem das Ausgangsmateial in drei Zonen geteilt und die Zonen-Zwischenräume mit nicht-metallischen Pulverwerkstoffen gefüllt sind. Das Umformen erfolgt vorzugsweise durch Strangpressen, wobei ein strangförmiges Preßprodukt entsteht, in dem die Zonenstruktur erhalten bleibt. Durch das Pulvermaterial in den Zonen-Zwischenräumen kommen die einzelnen Teile nicht miteinander in Berührung, so daß sie nach dem Umformen in rohrförmige Hohlprofile mit unterschiedlichen Durchmessern und ein Massivprofil getrennt werden können. Die Figuren 9 bis 20 zeigen ein Ausführungsbeispiel mit einem Kern und zwei darum angeordneten, rohrförmigen Hohl- blδcken mit jeweils dazwischen liegenden Zwischenräumen. Andere Varianten können nur einen oder mehr als zwei Hohlblöcke umfassen.
In den Figuren 9 bis 12 ist veranschaulicht, wie ein massives, zylindrisches Nickel-Titan-Ausgangsmaterial in drei Zonen umfassend den Kern 3 , den ersten Hohlblock 1 und den zweiten Hohlblock 5 geteilt wird. Die Teilung kann bevorzugt durch Funkenerosion erfolgen.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 und 10 erfolgt die Teilung durch Drahterodierung. Dabei kann mit einem Draht, der dünner als die Fugenbreite ist, entlang des Umfangs der Fuge sowohl an ihrem Innen- als auch an ihrem Außendurchmesser das Ausgangsmaterial zerschnitten werden. Das Verfahren der Drahterodierung hat den Vorteil, daß wenig Abfallmaterial entsteht, da eine kompakte, recyclierbare Hülse mit den Abmessungen der Trennfuge 23 bzw. 24 entsteht. Dabei gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten der Verfahrensführung. Wenn der Erodierdraht entlang einer Längsbohrung in das Ausgangsmaterial eingeführt wird, wird ein über seinen Umfang geschlossenes, kompaktes Rohr aus der Trennfuge 23 bzw. 24 herausgelöst. Wenn dagegen der Draht radial zugeführt wird, bildet das aus dem Ausgangsmaterial herausgetrennte Stück eine längsgeschnitzte Hülse, die aber ebenfalls weiter verwertbar ist .
Beim Senkerodieren, das in den Figuren 11 und 12 veranschaulicht ist, wird der Querschnitt der Trennfuge 23 bzw. 24 herauserodiert. Die Elektroden sind dünnwandige Rohre aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, deren Durchmesser dem Durchmesser der Trennfugen entspricht. Die Elektroden können beim Erodieren um ihre Längsachse und/oder entlang ihrer Längsachse bewegt werden. Beim Senkerodieren fällt das den Trennfugen 23, 24 entsprechende Material als feiner Erosionsabfall an. Allerdings hat das Senkerodieren den Vorteil, daß, sofern die Elektroden nicht ganz durch das Ausgangsmaterial hindurch geführt werden, an einem Ende des Block ein Boden stehen bleibt, der die Anordnung stabilisiert und beim nachfolgenden Verfüllen der Trennfugen 23, 24 mit einem die Trennschicht bildenden Material von Vorteil ist, um das Verfüllen zu erleichtern und ein Herausfallen zu verhindern. In Fig. 12 ist der Boden am rechten Ende der Darstellung zu erkennen.
Sowohl die Draht- als auch die Senkerodierung haben gegenüber anderen Verfahren wie Bohren usw. den Vorteil, daß wenig Abfall an Nickel-Titan entsteht, da nur das Material der Trennfugen 23, 24 oder ein Teil dieses Materials als Abfall anfällt.
Nach dem Teilen des Ausgangsmaterials in einen Kern 3 , einen ersten Hohlblock 1 und einen zweiten Hohlblock 5 werden die gebildeten Trennfugen 23, 24 mit Pulver gefüllt, so daß ein Verbundblock 10 mit drei Nickel-Titan- Zonen und zwei Zonen-Zwischenräumen entsteht. Die Figuren 13 bis 16 zeigen solche fertigen, zum Pressen vorbereiteten Verbundblöcke 10. Sie sind mit einer Hülse 25 aus Kupfer ummantelt, um beim Strangpressen einen direkten Kontakt zwischen dem Nickel-Titan des zweiten Hohlblocks 5 und der Preßmatrize zu verhindern und eine Verschweißung zwischen Nickel-Titan und dem Werkzeugstahl zu vermeiden. Auch an den Stirnflächen der Verbundblöcke 10 ist zu diesem Zweck eine Scheibe 26 aus einer hochfesten Kupfer-Legierung angebracht.
Um das Austreten des in den Trennfugen 23, 24 befindlichen Pulvers zu verhindern, wird das Blockende mit einer zweiten Scheibe 27 aus einer Kupfer-Legierung hoher Festigkeit verschlossen. Um die Anordnung mechanisch zu fixieren und stabilisieren, sind Führungsstücke 22 vorgesehen, die die Trennfugen 23, 24 oder Teilabschnitte im Bereich der Blockenden ausfüllen. Sie können beispielsweise, wie in Fig. 14 und 16 dargestellt, an den zweiten Scheiben 27 angeformt sein. In Fig. 14 weist auch die Scheibe 26 Führungsstücke 22 auf, da die Trennfugen 23, 24 ganz durch das Material durchgehen. In Fig. 16 ist in das rechte Blockende durch die beim Senkerodieren stehen gelassenen Stege stabilisiert .
Das zum Füllen der Trennfugen 23 , 24 verwendete Pulvermaterial besteht vorzugsweise aus harten, temperaturbeständigen Metalloxiden wie zum Beispiel Aluminiumoxid- Pulver, das die Fähigkeit besitzt, während des Umformprozesses der Formänderung des Nickel-Titan-Materials entsprechend zu gleiten, ohne daß eine plastische Verformung der Oxidteilchen stattfindet .
In Fig. 17 ist dargestellt, wie der präparierte Verbundblock 10 durch Strangpressen zu einem Strang warm umgeformt wird. Als Preßverfahren sind sowohl direktes als auch indirektes Strangpressen möglich. Bevorzugt ist das indirekte Strangpressen, das in Fig. 17 dargestellt ist. Der Verbundblock 10 wird in den Blockaufnehmer 16 eingesetzt und durch den Preßvorgang, bei dem sich der Blockaufnehmer 16 und der Preßstempel 19 gemeinsam mit dem zu pressenden Verbundblock 10 in Richtung der auf einem Hohlstempel 20 liegenden Preßmatrize 17 bewegt, gegen die Preßmatrize 17 gepreßt und zu einem umgeformten Verbundblock 12 in Form eines Strangs umgeformt .
In Fig. 18 ist das Vereinzeln der im umgeformten Verbundblock 12 enthaltenen Einzelteile durch Herausziehen dargestellt. Dabei entstehen die gewünschten Umformprodukte, umfassend einen reduzierten Kern 3a als massives Rundprofil, einen umgeformten Hohlblock la als Rohr und einen umgeformten zweiten Hohlblock als zweites Rohr 5a. Mit einem einzigen Umformvorgang entstehen gleichzeitig zwei oder mehr rohrförmige Umformprodukte unterschiedlicher Abmessungen und zusätzlich ein Massivprofil als Nebenprodukt. Der Materialabfall und der Bearbeitungsaufwand sind gering. Darüber hinaus entfällt ein aufwendiger Bearbeitungsschritt zum Trennen der einzelnen Teile. Das in die Trennfugen 23, 24 eingebrachte Pulver kann in der Regel wiederverwendet werden.
Die Figuren 19 und 20 zeigen ein Zahlenbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß den Figuren 9 bis 18, bei dem ein Nickel-Titan-Preßblock mit einer Drei-Zonen- Teilung nach dem Warmumformen durch Strangpressen, bei dem sich die Durchmesser und Wanddicken der einzelnen Teile reduzieren, in drei Preßprodukte vereinzelt wird. Beim Strangpressen eines. Verbundblocks 10 mit einem Durchmesser D-^ von ca. 110 mm unter Verwendung eines Blockaufnehmers mit einem Durchmesser von 110 mm und einer Matrize mit einem Durchmesser von ca. 26 mm ergibt sich ein Preßverhältnis von ca. 18:1. Dies bedeutet, daß das Verhältnis der Querschnittsfläche des zu pressenden Verbundblocks 10, die der Querschnittsfläche des Blockaufnehmers entspricht, zu der Querschnittsfläche des zu einem Strang umgeformten Verbundblocks 12, die der Querschnittsfläche des Matrizendurchbruchs entspricht, 18:1 beträgt. Beim Strangpressen eines mehrere Zonen umfassenden Nickel-Titan-Preßblocks werden die einzelnen Zonen und Zonen-Zwischenräume ebenfalls mit einem Preßverhältnis von 18:1 umgeformt.
Die in Fig. 19 und 20 dargestellten Abmessungen der einzelnen Zonen im Verbundblock 10 und im umgeformten Verbundblock 12 sind etwa wie folgt: D-^ 110 mm, D2 108 mm, D3 89 mm, D4 76 mm, D5 63 mm, Dg 51 mm, D11 26 mm, D22 25,5 mm, D33 21 mm, D44 18 mm, D55 15 mm und Dgg 12 mm. Bei diesem Zahlenbeispiel ist eine mögliche Weiterverdichtung des in den Trennfugen 23 , 24 als Trennschicht enthaltenen Pulvermaterials während des Preßvorgangs nicht berücksichtigt, was zu einer geringen Abweichung der Produktabmessungen führen kann. Dieser Effekt kann jedoch durch eine entsprechende Änderung der Durchmesser der einzelnen Zonen im Verbundblock 10 kompensiert werden.
Nach dem Trennen des umgeformten Verbundblocks 12 in Einzelteile entstehen folgende Produkte: Der reduzierte Kern 3a ist ein Rund-Vollprofil mit einem Durchmesser Dgg. Der umgeformte erste Hohlblock la ist ein Rohr mit einem Außendurchmesser D44 und einem Innendurchmesser D^^ . Der umgeformte zweite Hohlblock 5a ist ein zweites Rohr 5a mit einem Außendurchmesser D22 un^ einem Innendurchmesser D33. Es ist, sofern eine Hülse 25 aus Kupfer verwendet wurde, mit einer ca. 0,25 mm dünnen Kupferschicht umhüllt (Durchmesser D-j^) . Bezugszeichenliste
1 erster Hohlblock la umgeformter Hohlblock
2 Gleitschicht auf 1
3 Kern
3a reduzierter Kern
4 Trennschicht
4a Gleitschicht auf 3
5 zweiter Hohlblock 5a zweites Rohr
6 Gleitschicht auf 5
7 erstes Loch
8 zweites Loch 0 Verbundblock 1 Kern-Preßblock 2 umgeformter Verbundblock 3 Mehrfachverbundblock 4 umgeformter Mehrfachverbundblock 5 Presse 6 Blockaufnehmer 7 Matrize 8 Öffnung der Matrize 9 Preßstempel 0 Hohlstempel 1 Pfeilrichtung 2 Führungsstück 3 Trennfuge 4 Trennfuge 5 Hülse 6 Scheibe 7 zweite Scheibe dl Durchmesser von 7 d2 Durchmesser von 1 einschließlich 2 d3 Durchmesser von 3 einschließlich 4 bzw. 4a d4 Durchmesser von 12 d5 Durchmesser von 5 einschließlich 6 d6 Durchmesser von 8 d7 Durchmesser von 14

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Herstellen von Hohlprofilen mit kleinem Außendurchmesser und/oder kleiner Wanddicke aus einer Nickel-Titan-Legierung durch Umformen eines Verbundblocks, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Schritt ein Verbundblock (10) gebildet wird, der einen massiven Kern (3) aus einer Nickel-Titan-Legierung, einen den Kern (3) umgebenden ersten Hohlblock (1) aus einer Nickel-Titan-Legierung und eine Trennschicht (4, 23) zwischen dem ersten Hohlblock (1) und dem Kern (3) umfaßt, in einem zweiten Schritt der Verbundblock (10) mittels eines Umformverfahrens umgeformt wird und in einem dritten Schritt der zu einem ersten Hohlprofil (la) umgeformte erste Hohlblock und der umgeformte Kern (3a) aus dem umgeformten Verbundblock (12) entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundblock (10) mittels eines Strangpreßverfahrens umgeformt wird, bei dem der Verbundblock (10) als erwärmter Preßblock in einen Blockaufnehmer (16) einer Presse (15) eingesetzt und mittels Druck eines Preßstempels (19) durch die Öffnung (18) einer Matrize (17) gepreßt""wird. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Verbundblock (10) beim Auspressen relativ zu dem Blockaufnehmer (16) bewegt (direktes
Strangpressen) .
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die an einer Spitze eines Hohlstempels (20) angeordnete Matrize (17) beim Auspressen des Verbundblocks (10) relativ zu dem Blockaufnehmer (16) und dem eingesetzten Verbundblock (10) bewegt (indirektes Strangpressen) .
Verfahren nach einem der Anprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundblock (10) zum Auspressen auf eine Temperatur zwischen 850 °C und 950 °C, bevorzugt zwischen 900 °C und 950 °C erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundblock (10) mittels eines Warmzieh-, Kaltzieh-, Walz-, Rundhämmer- oder Pilger-Verfahrens umgeformt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundblock (10) durch Einschieben des Kerns (3) in den ersten Hohl- block (1) , insbesondere in ein Hohlprofil, bevorzugt in ein Rohr gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundblock (10) mit einem oder mehreren _weiteren Hohlblöcken (5) gebildet wird, die um den ersten Hohlblock (1) angeordnet sind und jeweils eine Trennschicht (4, 24) zwischen benachbarten Hohlblöcken (1, 5) aufweisen und in dem zweiten Schritt der mehrere Hohlblöcke (l, 5) und den Kern (3) umfassende Verbundblock (10) umgeformt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundblock (10) durch Ineinanderschieben von mehreren Hohlblöcken (1, 5) , insbesondere von Hohlprofilen, bevorzugt von Rohren, gebildet wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Herstellen eines Hohlblocks (10) mit einem zum Einschieben des Kerns
(3) vorgesehenen Loch (7) das Loch (7) in einen Block oder durch einen Block gebohrt oder gefräst wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundblock (10) , ein Hohlblock (1, 5) oder der Kern (3) durch Senkoder Drahterodierung eines massiven Nickel-Titan- Blocks, eines Nickel-Titan-Hohlblocks oder eines anderen Nickel-Titan-Werkstücks gebildet wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem zweiten und vor dem dritten Schritt der umgeformte, erste Verbundblock (12) als Kern in einen weiteren Hohlblock (5) aus einer Nickel-Titan-Legierung eingesetzt wird, wobei der so gebildete zweite Verbundblock eine Trennschicht (4) zwischen dem Kern und dem weiteren Hohl- block aufweist, anschließend der zweite Verbundblock mittels eines Umformverfahrens umgeformt wird und danach in dem dritten Schritt der zu einem Hohlprofil umgeformte weitere Hohlblock, der weiter umgeformte erste Verbundblock und der weiter umgeformte Kern aus dem umgeformten zweiten Verbundblock entfernt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß, bevor die umgeformten Hohlblöcke und der Kern vereinzelt werden, das Einsetzen eines erhaltenen, umgeformten Verbundblocks in einen weiteren Hohlblock aus einer Nickel-Titan-Legierung und das Umformen des so gebildeten Verbundblocks ein- oder mehrfach wiederholt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13 , dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten Schritt der Verbundblock auf einen Durchmesser (d4) umgeformt wird, der im wesentlichen dem Durchmesser (dl) des Kerns vor dem zweiten Schritt entspricht, so daß der umgeformte Verbundblock als Kern in einen weiteren Hochblock mit demselben Kerndurchmesser wie der erste Verbundblock einsetzbar ist.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der umgeformte Verbundblock (12) zum Entfernen eines Hohlprofils (la, 5a) oder des Kerns (3a) mechanisch behandelt, einer thermischen Schockbehandlung unterzogen oder chemisch behandelt wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser eines Kerns in einem Verbundblock vor dem Umformen einen Durchmesser zwischen 10 mm und 60 mm, bevorzugt zwischen 20 mm und 40 ram beträgt.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser eines Verbundblocks nach einem Umformschritt weniger als 40 mm, bevorzugt weniger als 25 mm beträgt.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hohlblock und/oder der Kern eine Nickel-Titan-Legierung mit superelastischen Eigenschaften bzw. eine Formgedächtnislegierung umfaßt.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für den Kern eine Nickel- Titan-Legierung gewählt wird, die eine höhere Martensit-Austenit-Umwandlungstemperatur als die Legierung des Hohlblocks aufweist.
20. Verfahren zum Bearbeiten eines Nickel-Titan-Werkstücks, insbesondere zum Heraus- oder Abtrennen eines Teils, insbesondere eines massiven Kerns oder eines Hohlprofils aus einem Block, dadurch gekennzeichnet, daß das Nickel-Titan-Werkstück mit einem Funkenerosionsverfahren, insbesondere mittels Senk- oder Drahterodierung bearbeitet wird.
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