EP1027177B1 - Verfahren zum herstellen von nickel-titan-hohlprofilen - Google Patents

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EP1027177B1
EP1027177B1 EP98962224A EP98962224A EP1027177B1 EP 1027177 B1 EP1027177 B1 EP 1027177B1 EP 98962224 A EP98962224 A EP 98962224A EP 98962224 A EP98962224 A EP 98962224A EP 1027177 B1 EP1027177 B1 EP 1027177B1
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EP
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block
core
hollow
composite block
composite
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EP98962224A
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EP1027177A1 (de
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Klaus Müller
Hans Nusskern
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G RAU GmbH and Co KG
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G RAU GmbH and Co KG
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    • B21C37/00—Manufacture of metal sheets, rods, wire, tubes, profiles or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape
    • B21C37/06—Manufacture of metal sheets, rods, wire, tubes, profiles 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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    • B21C23/02—Making uncoated products
    • B21C23/04—Making uncoated products by direct extrusion
    • B21C23/08—Making wire, rods or tubes
    • B21C23/085—Making tubes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES, PROFILES OR LIKE SEMI-MANUFACTURED PRODUCTS OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
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    • 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, especially pipes, with a small outside diameter and / or small wall thickness made of a nickel-titanium alloy by reshaping a composite block according to the preamble of claim 1 (see e.g. WO-A-95 31298).
  • a shape memory alloy can contain ternary components (e.g. iron, chromium or Aluminum) included.
  • ternary components e.g. iron, chromium or Aluminum
  • the ratio of nickel and titanium as well as the presence of ternary admixtures have large Influence on the expression of the thermal and mechanical Shape memory; even small changes in concentration have big changes in material properties result.
  • the thermal shape memory In order to use the thermal shape memory for components, becomes an alloy with a suitable composition by cooling without diffusion from the austenitic structure in transformed the martensitic structure.
  • a subsequent one Deformation of a component made from this alloy can be achieved by thermal treatment of the component (Heating to temperatures above a certain Transformation temperature) can be reversed again.
  • the original austenitic structure is restored set, and the component takes its original Shape.
  • the transition temperature is generally denotes the temperature at which the martensite is completely is converted to austenite.
  • the transformation temperature is strong on the composition of the alloy and depending on the stresses prevailing in the component. components, which can show a thermal shape memory Generate movements and / or exert forces.
  • the mechanical shape memory effect occurs in a component made of a suitable alloy with austenitic Microstructure if the component is in a certain temperature range is deformed. It is for the austenitic
  • the structure is more energetically favorable, it is stress-induced convert to martensite, taking elastic strains of up to ten percent can be achieved.
  • 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.
  • nickel-titanium alloys in medical technology, where the primary product is a nickel-titanium tube is stents, catheters as well as endoscopic and laparoscopic instruments for the minimally invasive diagnosis and therapy. Even in the other fields of application are intermediate products in the form of Pipes, especially those with a small outside diameter, are required.
  • nickel-titanium tubes made by drilling forged bars.
  • the pipes typically have outside diameters between 12 and 25 mm. Due to the poor machinability of Nickel-titanium alloys are the process of deep hole drilling very complex, resulting in short downtimes Tools, long processing times and high manufacturing costs leads for the pipes. Further occurs, in particular in the manufacture of thin-walled pipes, a high one Loss of material. Those that arise when drilling or turning Chips represent lost material.
  • this method has the disadvantage that through the forming process the metal core an intimate metal connection with the nickel-titanium material forms in the pressed product, so that to remove the Core material to obtain a hollow molded product, an additional processing step is required for example by drilling out and / or chemical triggering of the core material. Furthermore, is not in all cases the one-time extrusion of the composite block is a desired, small profile dimensions achievable.
  • the invention has for its object a method to provide with the hollow profiles or tubes from a Nickel-titanium alloy with a small outside diameter and / or a small wall thickness inexpensively and efficiently can be produced.
  • the hollow profiles or Pipes can have any cross-sectional shape. Under a tube is also any profile tube or hollow profile understood.
  • the invention is based on the idea of both the processing effort as well as the amount of waste lost Nickel-Titanium by reducing the hollow block is stabilized during forming with a core, the Core itself is reshaped and both in terms of its Material as well as its shape for further use suitable is.
  • the core consists of according to the invention a nickel-titanium alloy.
  • the one to a massive full profile reshaped core can be used as wire, for example further used or as a semi-finished product in further processing steps to be used. In this way it is created less waste of the raw material, which is expensive to manufacture.
  • a Nickel-titanium raw material zoned, and the spaces are covered with a separation layer, for example a non-metallic powder material that does not combine with nickel-titanium.
  • a separation layer for example a non-metallic powder material that 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 one Forming process. According to the invention, the number and the diameter the individual zones can be designed variably and depends on the desired formed products.
  • the material forming the separating layer has the task a touch of the individual zones before, during and after prevent reshaping of the composite block to achieve that the individual parts of the formed composite block can be easily separated from each other after forming can.
  • a first advantageous embodiment can be found therein exist that the composite block by means of an extrusion process is formed in which the composite block as a heated press block in a block receiver Press used and by pressing a ram is pressed through the opening of a die. Doing so the hollow block, which are extruded into a tube during extrusion with one inserted in it Core stabilized. The core can be extruded be removed.
  • the method according to the invention is so far with one step from a multiple composite extrusion process comparable, but in contrast to the classic, repeatedly repeated composite extrusion presses a single extrusion can suffice and further the components of the composite strand obtained after Extrusion presses to extract a pipe are isolated.
  • the invention can Squeeze procedure with a lower one Pressure to be worked, reducing the wear of the Press tools is reduced. Because of the small outside diameter of the pipe manufactured according to the invention in any subsequent forming work, for example when cold drawing, with a smaller outside diameter be started, which saves processing steps become.
  • Another advantageous embodiment of a forming process can consist in that the composite block by means of a warm drawing, cold drawing, rolling, round hammer or pilger process is reshaped.
  • the result is Tube stabilized by the core during forming.
  • nickel-titanium alloys which is usually a forming ratio with extrusion of a maximum of 20: 1
  • the composite block with one or more further Hollow blocks formed around the first hollow block are arranged and each have a separation layer have between adjacent hollow blocks, in which second step comprising several hollow blocks and the core Composite block is formed.
  • second step comprising several hollow blocks and the core Composite block is formed.
  • the core provided hole can be the hole in a block or drilled or milled through a block. There this inevitably leads to a loss of material, too if the hole, except for the separation gap, is covered by a solid Profile is populated according to a preferred Feature of the invention proposed that the composite block, a hollow block or the core by lowering or Wire EDM of a massive nickel-titanium block, one Nickel-titanium hollow blocks or another nickel-titanium workpiece is formed.
  • nickel-titanium workpieces can be processed advantageously, in particular when removing or separating a part, in particular a solid core or a hollow profile, from one Block.
  • the use of a tubular one is preferred Electrode made of copper or a copper alloy.
  • the method according to the invention relates to the production pipes made of a nickel-titanium alloy, in particular a shape memory alloy described above.
  • the alloys used can be binary be or contain ternary additions.
  • Preferably is the process used to manufacture pipes a nickel-titanium alloy with super elastic properties. Even the one that was formed into a solid full profile Core preferably has super-elastic properties.
  • the outer diameter of the pressed depends Compound blocks and thus the outer tube of the diameter of the opening of the die, which is not arbitrary is selectable small. The smaller it is, the bigger is the pressure to be applied and the less is the service life of the press tools.
  • Around the outside diameter of a pipe is further reduced formed composite block in a second possibility according to the invention to manufacture the composite output block before removing the reduced core into a second one Hole made in another hollow block made of a nickel-titanium alloy was incorporated to form a Multiple composite block, the further, perforated hollow block and the first, formed composite block with the reduced core, used, the one thus formed second composite block a separation layer between the serving as the core first composite block and the second Has composite block.
  • the multiple composite block becomes then a multiple composite rod using extrusion pressed out, the diameter of the further, perforated hollow block, the first hollow block and of the core can be reduced. This also applies accordingly for composite blocks with several layers and for others Forming processes.
  • the reshaped composite block comprises one of those second, reduced hollow block formed second tube, the first, further reduced pipe and the further reduced Core. After forming, the pipes are separated and the reduced core removed.
  • this two-stage Forming for example extrusion, can be done with a larger die opening, what advantageous to the applied pressure and affects the service life of the pressing tools.
  • After separating the tubes and the core removal stand two extruded tubes with different diameters available for further processing.
  • the reshaped multiple composite trestle before the pipes are isolated and the core will be removed, into another hole, which was worked into another hollow block and the further multiple composite block thus formed formed to produce another tube.
  • the insertion and reshaping can be repeated with each tube forming another tube becomes.
  • the procedure can also be carried out in such a way that the one or more reduced core and the first, innermost Pipe can be removed from the reduced block (if necessary together with one or more to the first pipe adjacent further pipes), then in the remaining block is another core made of nickel titanium or another material used, the so formed Block is reshaped and further reduced, namely either as is or inserted into one another hollow block. In this way it is possible To produce pipes with a uniform, small diameter, with fewer pipes of larger diameter.
  • the block to be formed or the required hollow blocks each have a hole, whose diameter is preferably between 10 mm and 60 mm, is preferably between 20 mm and 40 mm.
  • the hole will preferably eroded, but can also be on another Way into the material. It has a through hole opposite a blind hole the advantage that during forming, especially pressing, not a solid piece, i.e. a section of the squeezed Rod without a core, which is used to create a tube must first be separated and represents lost material.
  • the Composite block reshaped to a diameter that is essentially the diameter of the first hole in the core before forming.
  • the reshaped Compound block in another hollow block with same core diameter as the previous hollow block for Formation of a multiple composite block can be used.
  • the multiple composite block can also advantageously be on a diameter to be formed, which is essentially the diameter of the composite block serving as the core corresponds to the forming. In this way, the reshaped Multiple composite block in another hollow block with the same core diameter to form another Multiple composite blocks can be used.
  • the required diameter of the formed composite block or multiple composite blocks is replaced by a corresponding Dimensioning of the forming tools obtained.
  • These process variants include the advantage that in the required hollow blocks holes with a uniform diameter can be incorporated, what the effort for block preparation reduced.
  • the outer diameter of the first is advantageously Hollow blocks or tube after the first forming step less than 40 mm, preferably less than 25 mm.
  • the wall thickness a thin-walled tube is usually between 2% and 10% of the outside diameter.
  • the first hollow block 1 shown in Figure 1 is made of a Shape memory alloy with super elastic properties manufactured, for example forged.
  • a continuous first hole 7 is worked, e.g. drilled.
  • the diameter d1 of the first Hole 7 is approximately 30 mm.
  • a sliding layer 2 made of a friction reducing Material applied is on the surface of the first before forming Hollow block 1 .
  • a sliding layer 2 made of a friction reducing Material applied.
  • Embodiment comprises the sliding layer 2 copper and was applied in that the first hollow block 1 in a copper tube with a corresponding diameter is inserted has been.
  • a copper layer can, for example can also be applied by plasma or flame spraying.
  • the sliding layer 2 can also be made of glass or another Material. Copper has one at Extrusion frequently used sliding layer made of glass the advantage that in a subsequent cold forming process, for example pulling, also as a sliding layer can serve. A glass sliding layer, however, must be removed beforehand in order to protect the forming tools. However, the sliding layer 2 can also use other materials, especially graphite or a paste applied include ceramic substance applied as sludge.
  • the total diameter d2 of the first hollow block 1 inclusive applied sliding layer 2 in the following referred to as the press block diameter) in the shown Embodiment in about 110 mm.
  • a sliding layer 2 could be omitted if for the forming tools (e.g. extrusion) a material is used which the nickel-titanium alloy has essentially no inclination shows for welding, or selected a forming process where there is no welding.
  • a core 3 is used, whose diameter d3 including one applied Separating layer 4 (hereinafter referred to as core diameter) essentially the diameter d1 of the first hole 7 corresponds.
  • the core 3 also comprises a nickel-titanium alloy. It therefore shows the same when pressed Flow behavior like the first hollow block 1.
  • a Alloy composition chosen that has a higher martensite-austenite transition temperature than the alloy of the first hollow block 1. This is beneficial for the removal of the core 3 described below the forming.
  • the core 3 has the task of the first hollow block 1 at Forming into a first tube to stabilize. Also determined he, since its diameter also when squeezing is reduced, the inner diameter of the first tube. Therefore, it is advantageous if the core 3 is a material has a similar or the same when reshaping Flow behavior like the alloy of the first hollow block 1 shows. In this way, the composite block diameter d2 and the core diameter d3 evenly during forming reduced, i.e. the ratio of the cross sectional area of the first hollow block 1 including sliding layer 2 to the Cross-sectional area of the core 3 including the separating layer 4 remains essentially before and after the forming equal. Thus, the outside and inside diameter of the resulting pipe for given starting conditions (in particular composite block diameter d2, core diameter d3, diameter of the die opening during extrusion) be calculated.
  • core 3 also includes a super elastic alloy.
  • the core 3 comprise a copper-chromium alloy. This shows a similar flow behavior as the nickel-titanium alloy of the first hollow block 1.
  • the separating layer 4 has the task of diffusing Atoms between core 3 and first press block 1 when pressed to prevent.
  • one is made by means of a forming process manufactured core 3 used.
  • a forming process manufactured core 3 used for the production of the core 3 is, as shown in Figure 2, on a solid core press block 11 made of a shape memory alloy a sliding layer 4a made of copper.
  • the core press block 11 becomes one Formed strand.
  • the strand is cut to length, whereby the actual core 3 is formed ( Figure 3).
  • the one on 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 by means of the invention Forming or extrusion processes are produced.
  • the core 3 is, as shown in Figure 1, inserted into the first hole 7 of the first hollow block 1.
  • a separate separating layer 4 is applied upon insertion.
  • the shaping by extrusion is based on the figures 4 and 5 explained.
  • the composite block is used for pressing 10 from FIG. 1, which shows the first hollow block 1 and the core 3 includes, heated to about 900 to 950 ° C and in a heatable Block picker 16 of a press 15 used.
  • the temperature depends on the alloys used. For other nickel-titanium alloys, the extrusion temperature can be typically lie between 850 and 950 ° C.
  • the even flow of Core 3 and hollow block 1 can improve this before the pressing separately from each other to different Temperatures warmed, then assembled and then pressed together to form a formed composite block 12 become.
  • the composite block 10 is preferred by indirect Extrusion ( Figure 5) pressed out.
  • the indirect extrusion has opposite the direct advantage that between near the edge and areas of the composite block 10 located further inside essentially no different when pressed Flow rates occur. This results in a largely homogeneous material flow, that of an undesirable Counteracts wall thickness fluctuation of the resulting pipe. Due to the lower pressing force requirement and better material flow due to the lack of friction the indirect between the transducer and the press block Extrusion preferred.
  • the reduced core 3a can be removed from tube 1a after a single shaping.
  • the formed composite block 12 is treated mechanically.
  • To the reduced core 3a becomes at a temperature below the transition temperature of the core material is stretched. At this temperature, tube 1a remains austenitic and thus elastic state, while the reduced Core 3a plastically deformed in the martensitic area becomes.
  • the reduced Core 3a longer (change in length up to 10%) and thinner and can thus 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. More options, the reduced To loosen core 3a mechanically especially milling, rolling and hammering the composite block 12th
  • the composite block 12 To remove or loosen the reduced core 3a the composite block 12 also undergoes thermal shock treatment be subjected. As a result of material or composition differences voltages are induced, those for releasing the reduced core 3a in the tube 1a lead, so that they are then pulled out can.
  • the composite block 12 can also be chemically treated to the reduced Remove or loosen core 3a.
  • the composite block becomes the core of a copper-chromium alloy treated with nitric acid, for example, the reduced core 3a dissolves or dissolves, the nickel-titanium tube but does not attack. Mechanical, chemical or thermal methods to remove or loosen the reduced Kerns 3a can also be used in combination become.
  • separating layer 4 When using suitable materials as separating layer 4 can the parts without complex procedures, for example by simply pulling them apart.
  • the sliding layer 2 on the composite block 12 from the first pressing process can be used as Serve separation layer.
  • the composite block 10 without The sliding layer 2 is pressed out onto the composite block 12 a separate one before inserting it into the second hole 8 Separation layer applied.
  • the diameter d6 of the second hole 8 corresponds to the diameter d1 of the first hole 7 in the first hollow block 1.
  • the multiple composite block 13 thus formed, the second Hollow block 5 and the composite block 12 with a reduced core 3a comprises, for example by means of extrusion an outer diameter d7, which is essentially the diameter d6 corresponds to the composite block 12 used, reshaped ( Figure 8).
  • the diameter of the second hollow block 5 and the composite block 12 reduced.
  • the reformed multiple composite block 14 includes one of those second hollow block 5 formed second tube 5a, the further reduced, first tube 1a and the further reduced Core 3a. Because the same geometrical pressure ratio when pressing as used in the first pressing step the second tube 5a has an outer diameter of approx. 30 mm and an inner diameter of approx. 8 mm, the first tube 1a, on the other hand, has an outer diameter of approximately 8 mm and an inner diameter of approx. 2.2 mm.
  • the reduced core 3a becomes as above described, removed.
  • the concentric, nested Pipes 1a, 5a of the multiple composite block 14 are sporadically.
  • the pipes 1a, 5a thus produced stand available for further forming work.
  • the reshaped Core 3a can be used as wire or further processed become.
  • the second forming stage can be used before separating of tubes 1a, 5a and the removal of the reduced core 3a of the multiple composite block 14 one or more others Connect forming stages to the pipe diameter still further reduce.
  • the reduced core with one or more internal tubes removed and replaced by another Core to be replaced can be replaced.
  • Figures 9 to 20 illustrate an inventive Process for the production of thin hollow profiles made of nickel-titanium alloys, in which the starting material divided into three zones and the zones between non-metallic powder materials are filled.
  • the Forming is preferably carried out by extrusion, whereby a strand-shaped pressed product is created in which the zone structure preserved. Due to the powder material in the individual parts do not come into the intermediate zones in contact with each other, so that after the forming in tubular hollow profiles with different diameters and a solid profile can be separated.
  • the figures 9 to 20 show an embodiment with a Core and two tubular hollow blocks arranged around it with spaces in between. Other variants can only have one or more than two Include hollow blocks.
  • FIGS. 9 to 12 illustrate how a solid, cylindrical nickel-titanium raw material in three zones comprising the core 3, the first hollow block 1 and the second hollow block 5 is divided.
  • the division can preferably be done by spark erosion.
  • the division by wire EDM It can be done with a Wire that is thinner than the joint width along the The extent of the joint on both its inside and on its Outside diameter of the starting material can be cut.
  • the process of wire EDM has the advantage that little waste material arises, since a compact, recyclable sleeve with the dimensions of the parting line 23 or 24 arises.
  • die sinking EDM which is illustrated in FIGS. 11 and 12 is the cross section of the parting line 23 or 24 eroded out.
  • the electrodes are thin-walled Pipes made of copper or a copper alloy, their diameter corresponds to the diameter of the joints.
  • the Electrodes can erode around their longitudinal axis and / or are moved along their longitudinal axis.
  • Die-sinking EDM is the same as the parting lines 23, 24 Material as fine erosion waste.
  • Die sinking EDM has the advantage that, provided the electrodes not completely through the starting material be a floor at one end of the block remains, which stabilizes the arrangement and in the subsequent Filling the parting lines 23, 24 with a Interface-forming material is advantageous to that To facilitate filling and to prevent falling out.
  • the bottom is at the right end of the illustration to recognize.
  • Both wire and sinker EDM have opposite other processes such as drilling etc. that little waste of nickel-titanium arises, since only the material the parting lines 23, 24 or part of this material as waste.
  • a first hollow block 1 and a second hollow block 5 After dividing the starting material into a core 3, a first hollow block 1 and a second hollow block 5 the parting lines 23, 24 formed are filled with powder, so that a composite block 10 with three nickel-titanium zones and two zone gaps are created.
  • Figures 13 to 16 show such finished, for pressing prepared composite blocks 10. They are with a sleeve 25 clad in copper to provide a direct extrusion Contact between the nickel titanium of the second To prevent hollow blocks 5 and the die and a Welding between nickel titanium and the tool steel to avoid. Also on the end faces of the composite blocks 10 is for this purpose a disk 26 made of a high-strength Copper alloy attached.
  • the block ends with a second disc 27 made of a high copper alloy Tightness locked.
  • guide pieces 22 are provided, the parting lines 23, 24 or sections in Fill in the area of the block ends.
  • 14 and 16 to which second discs 27 may be formed. 14 also points the disc 26 guide pieces 22, because the parting lines 23, 24 go right through the material. 16 is into the right end of the block through the EDM left webs stabilized.
  • the powder material used to fill the parting lines 23, 24 consists preferably of hard, temperature-resistant Metal oxides such as aluminum oxide powder, that has the ability during the forming process the change in shape of the nickel-titanium material to slide accordingly without causing plastic deformation the oxide particles take place.
  • FIG. 17 shows how the prepared composite block 10 hot formed into an extrusion by extrusion becomes. Both direct and indirect extrusion is also possible. This is preferred indirect extrusion shown in FIG. 17.
  • the composite block 10 is inserted into the block receiver 16 and by the pressing process, in which the block receiver 16 and the ram 19 together with the pressing composite block 10 in the direction of on a Hollow punch 20 lying die 17 moves against the Press die 17 pressed and to a formed composite block 12 formed into 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.
  • 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.
  • 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.
  • the individual zones and zone gaps 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 1 110 mm, D 2 108 mm, D 3 89 mm, D4 76 mm, D 5 63 mm, D 6 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 66 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 66 .
  • the formed first hollow block 1a is a tube with an outer diameter D 44 and an inner diameter D 55 .
  • 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 11 ).

Landscapes

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  • Inorganic Fibers (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Hohlprofilen, insbesondere von Rohren, mit kleinem Außendurchmesser und/oder kleiner Wanddicke aus einer Nickel-Titan-Legierung durch Umformen eines Verbundblocks gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (siehe z.B. WO-A-95 31298).
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 martensitisch. 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 Konzentrationsänderungen 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 spannungsinduziert in Martensit umzuwandeln, wobei elastische Dehnungen von bis zu zehn Prozent erreicht werden können.
Bei Entlastung kehrt das Gefüge wieder in die austenitische 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 hohlförmigen 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 hohlförmiges 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.
Im Stand der Technik (WO-A-95 31298) 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 Kern stabilisiert wird, wobei der Kern selbst umgeformt wird und sowohl hinsichtlich seines Materials als auch seiner Form für eine weitere Verwendung 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 Ausgangsmaterials.
Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird 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. Erfindungsgemäß ist die Anzahl und der Durchmesser der einzelnen Zonen 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 Verbundblocks 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 Kern kann nach dem Strangpressen entfernt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insoweit mit einem Schritt aus einem Mehrfach-Verbund-Strangpreßverfahren 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. In der erfindungsgemäßen ersten Möglichkeit wird der Verbundblock mit einem oder mehreren weiteren Hohlblöcken gebildet, 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 erfindungsgemäßen zweiten Möglichkeit zur Herstellung des Ausgangsverbundblockes 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 stranggepreßte 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 Hohlblöcke 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 d1 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 reibungsvermindernden 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 Kaltumformungsprozeß, 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 Neigung 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 d1 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 Martensit-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, Kerndurchmesser 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 Hohlblock 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 beheizbaren 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 1a 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 1a 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 1a 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 1a 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 1a 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 1a 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 1a 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 reduzierten 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 1a 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 d1 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 Durchmesser 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 1a 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 1a 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 1a, 5a des Mehrfachverbundblocks 14 werden vereinzelt. Die somit hergestellten Rohre 1a, 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 1a, 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 Hohlblöcken 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 1a 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 D1 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: D1 110 mm, D2 108 mm, D3 89 mm, D4 76 mm, D5 63 mm, D6 51 mm, D11 26 mm, D22 25,5 mm, D33 21 mm, D44 18 mm, D55 15 mm und D66 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 D66. Der umgeformte erste Hohlblock 1a ist ein Rohr mit einem Außendurchmesser D44 und einem Innendurchmesser D55. Der umgeformte zweite Hohlblock 5a ist ein zweites Rohr 5a mit einem Außendurchmesser D22 und einem Innendurchmesser D33. Es ist, sofern eine Hülse 25 aus Kupfer verwendet wurde, mit einer ca. 0,25 mm dünnen Kupferschicht umhüllt (Durchmesser D11).
Bezugszeichenliste
1
erster Hohlblock
1a
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
10
Verbundblock
11
Kern-Preßblock
12
umgeformter Verbundblock
13
Mehrfachverbundblock
14
umgeformter Mehrfachverbundblock
15
Presse
16
Blockaufnehmer
17
Matrize
18
Öffnung der Matrize
19
Preßstempel
20
Hohlstempel
21
Pfeilrichtung
22
Führungsstück
23
Trennfuge
24
Trennfuge
25
Hülse
26
Scheibe
27
zweite Scheibe
d1
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 (18)

  1. Verfahren zum Herstellen von Hohlprofilen mit kleinem Außendurchmesser und/oder kleiner Wanddicke aus einer Nickel-Titan-Legierung durch Umformen eines Verbundblocks, wobei
    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 (1a) umgeformte erste Hohlblock und der umgeformte Kern (3a) aus dem umgeformten Verbundblock (12) entfernt werden,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    entweder 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 (1, 5) und den Kern (3) umfassende Verbundblock (10) umgeformt wird oder 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 Hohlblock 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.
  2. 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.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Verbundblock (10) beim Auspressen relativ zu dem Blockaufnehmer (16) bewegt (direktes Strangpressen).
  4. 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).
  5. 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.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundblock (10) mittels eines Warmzieh-, Kaltzieh-, Walz-, Rundhämmer- oder Pilger-Verfahrens umgeformt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundblock (10) durch Einschieben des Kerns (3) in den ersten Hohlblock (1), insbesondere in ein Hohlprofil, bevorzugt in ein Rohr gebildet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundblock (10) durch Ineinanderschieben von mehreren Hohlblöcken (1, 5), insbesondere von Hohlprofilen, bevorzugt von Rohren, gebildet wird.
  9. 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.
  10. 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.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, 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.
  12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten Schritt der Verbundblock auf einen Durchmesser (d4) umgeformt wird, der im wesentlichen dem Durchmesser (d1) 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.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der umgeformte Verbundblock (12) zum Entfernen eines Hohlprofils (1a, 5a) oder des Kerns (3a) mechanisch behandelt, einer thermischen Schockbehandlung unterzogen oder chemisch behandelt wird.
  14. 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 mm beträgt.
  15. 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.
  16. 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.
  17. 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.
  18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Heraus- oder Abtrennen eines Kerns oder eines Hohlprofils aus einem Block das Nickel-Titan-Werkstück mit einem Funkenerosionsverfahren, insbesondere mittels Senkoder Drahterodierung bearbeitet wird.
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