EP3645197B1 - Schleuderring - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a slinger with the features of the preamble of claim 1, a centrifugal melt device with such a slinger and a method for producing a slinger with the features of the preamble of claim 8.
- a generic slinger quenching wheel, spun wheel, spun ring, spinning wheel, rotating wheel ), a melt centrifugal device with such a slinger and a generic method go from the US 6,183,572 B1 out.
- the object of the invention is to provide a generic slinger, a centrifugal melter with such a slinger and a method for manufacturing a slinger, in which the problems discussed above are avoided.
- the invention is based on the finding that a large number of tangentially running grain boundaries promotes the crack formation mentioned.
- An axial main forming direction leads to severe cracking, especially along the tangential direction, preferably on the peripheral surface.
- refractory metal means the metals tungsten and molybdenum.
- Refractory metal base alloys are alloys based on one or more of the refractory metals mentioned, the proportion of refractory metal or refractory metals being greater than 50 at%, preferably greater than 80 at%, more preferably greater than 95 at%. It goes without saying that a refractory metal or a refractory metal base alloy can also contain the usual impurities that originate from the raw materials or are introduced via the production process.
- the slinger consists of a molybdenum-based alloy.
- the centrifugal ring consists of a molybdenum-based alloy with greater than or equal to 99 at% molybdenum, or of MHC or of TZM.
- MHC denotes a molybdenum-based alloy that contains about 1.2 wt% hafnium and 0.05 to 0.12 wt% carbon.
- TZM denotes a molybdenum base alloy containing 0.4 to 0.55 wt% titanium, 0.06 to 0.12 wt% zirconium and 0.01 to 0.04 wt% carbon.
- TZM as an alloy for a thrower ring according to the invention
- the alloy TZM already has particularly favorable mechanical properties and improved high-temperature properties due to the alloying elements used
- an advantageous microstructure is set by a degree of deformation that is greater in the radial direction than that in the axial direction.
- the increased grain boundary strength of TZM compared to molybdenum is also particularly advantageous.
- MHC also exhibits improved mechanical properties, due in part to the solid solution strengthening of molybdenum with hafnium. MHC also has improved high-temperature properties compared to TZM.
- the degree of stretching of the grains of a microstructure can be described by the so-called grain aspect ratio, which indicates the ratio of grain length to grain width.
- the average circumferential grain aspect ratio (ku) is obtained from a plan view of the circumferential surface
- the average face grain aspect ratio (ks) is obtained from a plan view of one of the faces as described below.
- the invention also has advantageous effects on the average grain size (d mean ), which is measured based on ASTM E 112 using the line intersection method and which is less than 500 ⁇ m, preferably less than 200 ⁇ m, particularly preferably less than 100 on the peripheral surface ⁇ m is.
- d mean average grain size
- the base body can have the preferred orientation(s) ⁇ 111> and/or ⁇ 100> normal to the peripheral surface.
- the absence of a ⁇ 101> preferred orientation normal to the peripheral surface is favorable.
- a preferred orientation normal to the peripheral surface in the ⁇ 111> direction with an intensity greater than 1.5 times the background intensity is also preferred.
- the slinger 1 shows a slinger 1 according to the invention, wherein the axial direction A, the radial direction R and the tangential direction T have been located.
- the slinger 1 has a cylindrical base body whose peripheral surface 2 is delimited by two end faces 3 .
- the slinger 1 is designed as a hollow cylinder to save material.
- a drive device for driving the thrower ring 1 can engage in the inner cavity. As indicated, the grain stretching on the end faces of the slinger ring primarily runs in the tangential direction T.
- FIG. 12 shows a schematic representation of a melt centrifugal apparatus according to the invention.
- the centrifugal ring 1 is thereby cooled by a cooling device (which is not shown for the sake of clarity).
- a cooling of the centrifugal ring can be carried out, for example, by air cooling, water cooling or by another medium which is brought either to the peripheral surface 2 of the centrifugal ring or to its inside.
- Melt 20 is applied to the peripheral surface 2 of the centrifugal ring 1 by a device 5 for applying melt 20 .
- melt 20 is introduced into the interior of device 5 for applying melt 20 and then a compressive force P is exerted on melt 20, so that device 5 for applying melt 20 via an application nozzle 21 leaves.
- the melt 20 solidifies by heat transfer by giving off heat to the cool centrifugal ring 1 and is taken along by him until the Melt 20 is thrown off by the centrifugal force of the rotating centrifugal ring 1.
- Figures 3a and 3b illustrate the inventive idea, where Figure 3a the structure of a slinger according to the prior art and Figure 3b shows the structure of a thrower ring according to the invention.
- a cube-shaped structure section with an edge length of 500 ⁇ m is shown in each case.
- the position of the structural section in relation to the directions in the slinger ring is specified via the coordinate system.
- the peripheral surface 2 of the slinger 1 has a far smaller number of grain boundaries than in the case of State of the art is the case. This is particularly good based on a comparison of the 4 and 5 recognizable.
- Figures 7a and 7b illustrate the position of the sampling of samples for the metallographic investigations on a slinger 1.
- Figure 7a shows a section parallel to face 3 to illustrate the sample thickness between 2 and 5mm
- Figure 7b a cross section of the slinger 1 perpendicular to the tangential direction T.
- the samples for the light microscopic investigations were taken from the peripheral surface 2 at a distance of 0.25 to 0.75 times the ring height ( Figure 7b ) to avoid edge effects from the edge zone of the material as much as possible.
- the sampling area is marked with "sample”.
- the sample was prepared and viewed on the radially inner side of the sample. The viewing direction is with the letter B in the Figure 7b marked.
- the prepared ground samples were examined on LEICA light microscopes (e.g. LEICA DMI 5000 M).
- LEICA light microscopes e.g. LEICA DMI 5000 M.
- grain boundary etching was carried out on the polished samples using a Murakami etching solution.
- the Murakami Etching solution consists of potassium hydroxide KOH and potassium ferricyanide K3[Fe(CN)6].
- the quantitative evaluation of the mean grain size was carried out based on the line intersection method according to ASTM E112. For this purpose, images are taken with a magnification of 200x and the number of grain boundaries in the axial and tangential direction in the case of the peripheral surface and the determination of k u , or in the radial and tangential direction in the case of one of the end faces and the determination of k s is counted.
- the grain boundaries are counted on equidistant lines 1500 ⁇ m long, which are placed in the image plane at a distance of at least 100 ⁇ m in both directions spanning the image plane (circumferential surface: axial and tangential or end faces: radial and tangential).
- the number of micrograph recordings per sample can also be increased for sufficient statistics.
- the (direction-independent) grain stretching ratios k u for the peripheral surface and k s for the front surface result from the ratio of the larger number of grain boundaries determined divided by the smaller number of grain boundaries. In the evaluation method described, care must be taken to ensure that the value for the direction with the larger number of grain boundaries is divided by the value for the direction with the smaller number of grain boundaries.
- the average grain size dmean results from the average of the two average grain sizes in each measurement direction based on the evaluation method according to ASTM E112.
- Figures 6a - 6f show representations of various mechanical forming processes that are possible for the invention.
- the starting workpiece 10 is machined by two or more tool segments 6, which completely or only partially enclose the cross section to be machined.
- the tool segments 6 have a tapering shape.
- the starting workpiece 10 rotates about its own axis during the forging process and performs a feed movement along its longitudinal direction, as shown by the arrows.
- the tool segments 6 carry out a "hammering" movement by performing an oscillating movement in the radial direction, as is also indicated by the whistle.
- the initial workpiece 10 is formed by the tool segments 6 into a workpiece 7 with a smaller cross-sectional area as a result of the “hammering” movement.
- the desired inner diameter of the here machined workpiece 7 is ensured by the mandrel 8 shown.
- the tube can be further processed into a centrifugal ring 1 by a subsequent cutting process (for example by sawing or turning). It is easy to see how the main forming direction H corresponds to the radial direction R.
- Figure 6b shows an extrusion process.
- a starting workpiece 10 is pressed with the aid of a stamp 11 through a die 9 which has a cross section which corresponds to that of the workpiece 7 to be produced.
- a mandrel 8 can be used, which is connected to the punch 11 or is designed in one piece with the punch 11 .
- the tube can be further processed into a centrifugal ring 1 according to the invention by a cutting process.
- the main forming direction H corresponds to the radial direction R, as a result of which the features of a thrower ring according to the invention are achieved.
- Figure 6c 12 shows a rolling process in which a flat rolled sheet 19, pre-deformed in the radial direction resulting from the tube, is brought into a tube shape by an arrangement of rolls 12.
- the ends are then optionally connected to one another by joining in a materially, form-fitting or non-positive manner (for example welding, soldering, gluing) and the tube can be further processed by cutting it to length to form a slinger 1 according to the invention.
- the main forming direction H corresponds to the radial direction R of the metal sheet 19.
- a starting workpiece 10 is passed between two rollers 13 which rotate in the same direction. These rollers 13 are aligned with their axes of rotation skewed to an axis of rotation of the workpiece 7 .
- an opposite rotation of the workpiece 7 in relation to the rollers 13 and a plastic deformation of the starting workpiece 10 to form the resulting workpiece 7 are achieved.
- a mandrel 8 may be provided.
- the workpiece 7 or tube can then be further processed by cutting it to length to form a slinger 1 according to the invention. It is easy to see how the main forming direction H corresponds to the radial direction R in order to produce a thrower ring according to the invention.
- FIG. 6e a ring forging process is shown.
- the ring-shaped starting workpiece 10 is applied to a mandrel 14 .
- a compressive force is applied to the workpiece 7 by a forging press/hammer 15, causing deformation.
- the workpiece 7 is rotated further by a selected angle and a compressive force is again exerted on the workpiece by a forging press/hammer 15 .
- the main forming direction H corresponds to the radial direction R.
- a ring rolling process is shown.
- the starting workpiece 10 is already in the form of a ring.
- This workpiece 7 is deformed in the radial direction with the aid of a mandrel roller 16 and a main roller 17 .
- a deformation of the travel piece 7 in the axial direction can be controlled by the axial rollers 18 .
- This process is mainly carried out as hot forming.
- the main forming direction H corresponds to the radial direction R.
- a slinger according to the invention could also be produced from rolled sheet metal by deep-drawing a rolled sheet metal or processing it by flow spinning or spinning, whereby care must be taken that the main forming direction H of the starting sheet metal material is in the resulting radial direction R of the slinger ring 1 according to the invention extends. After flow pressing or pressing must/can the bottom of the resulting workpiece can be separated to obtain a ring.
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Description
- Die Erfindung betrifft einen Schleuderring mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, eine Schmelzschleudervorrichtung mit einem solchen Schleuderring und ein Verfahren zur Herstellung eines Schleuderrings mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 8.
- Ein gattungsgemäßer Schleuderring (engl. quenching wheel, spun wheel, spun ring, spinning wheel, rotating wheel), eine Schmelzschleudervorrichtung mit einem solchen Schleuderring und ein gattungsgemäßes Verfahren gehen aus der
US 6,183,572 B1 hervor. - Problematisch ist die Tatsache, dass die Standzeit solcher Schleuderringe und damit die durchgehende Einsetzbarkeit der Schmelzschleudervorrichtung durch Rissbildung limitiert ist.
- Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Werkstoffe für Schleuderringe und Verfahren zur Herstellung bekannt:
- Die
DE102007061964 A1 ist auf eine spezielle Molybdän-Siliziumlegierung gerichtet und erwähnt die Anwendung als Schleuderring. - Die
DE60102278 T2 ist auf Nanokomposit-Magnete und deren Herstellung gerichtet. Dazu wird unter anderem aus Molybdän als Werkstoff für die Kühlwalze vorgeschlagen. - Die
DE69619106 T2 beschreibt ein Kühlsubstrat aus einer Metalllegierung mit einheitlicher Größe der enthaltenen Körner. Zur Herstellung des Kühlsubstrats wird eine Kühlsubstratlegierung zu einem Gussblock gegossen und der Gussblock geschmiedet oder gewalzt. - Die
DE10392662 T5 zeigt ein Kupfer-Nickel-Silizium-Abschrecksubstrat. Durch thermo-mechanische Behandlung wird eine zweiphasige Mikrostruktur eingestellt. - Aus der
DE112004001542 B4 ist ein Kuper-Nickel-Silizium-Abschrecksubstrat und ein Verfahren zur Herstellung bekannt, bei dem durch Umformung wie etwa Ringwalzen gleichförmig Nukleation und Kornwachstum im gesamten Bauteil induziert wird. - Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines gattungsgemäßen Schleuderrings, einer Schmelzschleudervorrichtung mit einem solchen Schleuderring und eines Verfahrens zur Herstellung eines Schleuderrings, bei welchen die oben diskutierten Probleme vermieden werden.
- Diese Aufgabe wird durch einen Schleuderring mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Schmelzschleudervorrichtung mit einem solchen Schleuderring und ein Verfahren zur Herstellung eines Schleuderrings mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
- Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Vielzahl von tangential verlaufenden Korngrenzen die angesprochene Rissbildung begünstigt. Eine axiale Hauptumformrichtung wie im Stand der Technik führt zu starker Rissbildung vor allem entlang der tangentialen Richtung, bevorzugt auf der Umfangsfläche. Durch eine Verlagerung der Hauptumformrichtung in die radiale Richtung wird die Anzahl der Korngrenzen in tangentialer Richtung auf der Umfangsfläche und damit die Neigung zur Rissbildung reduziert.
- Unter Refraktärmetall sind für den Zweck der vorliegenden Erfindung die Metalle Wolfram und Molybdän zu verstehen. Unter Refraktärmetall-Basislegierungen sind Legierungen auf Basis eines oder mehrerer der genannten Refraktärmetalle zu verstehen, wobei der Anteil an Refraktärmetall oder Refraktärmetallen größer 50 at%, bevorzugt größer 80 at%, weiter bevorzugt größer 95 at% ist. Es versteht sich von selbst, dass ein Refraktärmetall oder eine Refraktärmetall-Basislegierung auch übliche Verunreinigungen enthalten können, die aus den Rohstoffen stammen beziehungsweise über den Produktionsprozess eingebracht werden.
- Besonders bevorzugt ist es, wenn der Schleuderring aus einer Molybdän-Basislegierung besteht.
- Weiter bevorzugt ist es, wenn der Schleuderring aus einer Molybdän-Basislegierung mit größer gleich 99 at% Molybdän, oder aus MHC oder aus TZM besteht. Mit MHC wird eine Molybdän Basislegierung, die etwa 1,2 wt% Hafnium, sowie 0,05 bis 0,12 wt% Kohlenstoff enthält, bezeichnet. Mit TZM wird eine Molybdän Basislegierung, die 0,4 bis 0,55 wt% Titan, 0,06 bis 0,12 wt% Zirkon und 0,01 bis 0,04 wt% Kohlenstoff enthält, bezeichnet.
- Die besondere Eignung von TZM als Legierung für einen erfindungsgemäßen Schleuderring kann durch mehrere Einflussfaktoren begründet werden. Zum einen besitzt die Legierung TZM bereits durch die verwendeten Legierungselemente besonders günstige mechanische Eigenschaften und verbesserte Hochtemperatureigenschaften, zum anderen wird durch einen Umformgrad, der in radialer Richtung größer als jener in axialer Richtung ist, eine vorteilhafte Mikrostruktur eingestellt. Besonders vorteilhaft ist weiter die gegenüber Molybdän erhöhte Korngrenzenfestigkeit von TZM.
- MHC weist ebenfalls verbesserte mechanische Eigenschaften auf, die zum Teil durch die Mischkristallverfestigung des Molybdäns mit Hafnium zu begründen sind. MHC weist weiters zusätzlich im Vergleich zum TZM verbesserte Hochtemperatureigenschaften auf.
- Das Maß an Streckung der Körner einer Mikrostruktur kann durch das sogenannte Kornstreckungsverhältnis (engl. grain aspect ratio) beschrieben werden, welches das Verhältnis von Kornlänge zu Kornbreite angibt.
- Das durchschnittliche umfangsseitige Kornstreckungsverhältnis (ku) ergibt sich bei Draufsicht auf die Umfangsfläche, das durchschnittliche stirnseitige Kornstreckungsverhältnis (ks) ergibt sich bei Draufsicht auf eine der Stirnseiten wie unten beschrieben.
- Für die Erfindung ist vorgesehen (wobei stets ku kleiner ks gilt):
- 1 < ku < 1,7 und ks ≥ 1,8. Offenbart wird ferner 1 < ku < 1,4
- ks ≥ 1,5.
- Durch die stärkere Umformung in radialer Richtung können gegebenenfalls im Bereich der Stirnseiten des Grundkörpers mehr Korngrenzen vorliegen, was aber für die Standzeit des Schleuderrings irrelevant ist.
- Die Erfindung hat auch vorteilhafte Auswirkungen auf die mittlere Korngröße (dmean), die in Anlehnung an die ASTM E 112 nach dem Linienschnittverfahren gemessen wird und die auf der Umfangsfläche beispielsweise kleiner als 500 µm, vorzugsweise kleiner als 200 µm, besonders bevorzugt kleiner als 100 µm ist.
- Es hat sich herausgestellt, dass der Grundkörper normal zur Umfangsfläche die Vorzugsorientierung(en) <111> und/oder <100> aufweisen kann. Günstig ist das Nichtvorhandensein einer <101> Vorzugsorientierung normal zur Umfangsfläche.
- Weiter bevorzugt ist eine Vorzugsorientierung normal zur Umfangsfläche in <111> Richtung mit einer Intensität größer 1,5-fach der Untergrundintensität.
- Die Kristallorientierung, auch als Vorzugsorientierung oder Umformtextur bezeichnet, wird bevorzugt mittels SEM (Scanning electron microscope / Rasterelektronenmikroskop) und EBSD (Electron backscatter diffraction / Rückstreuelektronenbeugung) ermittelt. Die Probe (normal zur Umfangsfläche) wird dazu in einem Winkel von 70° gekippt. Der einfallende Primärelektronenstrahl wird inelastisch an den Atomen der Probe gestreut. Wenn nun manche Elektronen so auf Gitterflächen treffen, dass die Bragg Bedingung erfüllt ist, kommt es zu konstruktiver Interferenz. Diese Verstärkung geschieht für alle Gitterflächen im Kristall, sodass das entstehende Beugungsbild (engl. electron backscatter pattern, auch Kikuchi Pattern) alle Winkelbeziehungen im Kristall und somit auch die Kristallsymmetrie beinhaltet. Die Messung wird dabei unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
- Beschleunigungsspannung: 20 kV,
- Blende 120 µm,
- Arbeitsabstand 15 mm
- Hochstrommodus - aktiviert
- Gescannte Fläche: 1690 × 1690 µm2.
- Indexschrittweite: 2 µm.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren diskutiert. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schleuderrings
- Fig. 2
- eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schmelzschleudervorrichtung
- Fig. 3a, 3b
- eine schematische Veranschaulichung des Erfindungsgedankens, a) Stand der Technik, b) erfindungsgemäßer Schleuderring, Kantenlänge des Gefügeausschnitts (Würfel) 500 µm
- Fig. 4
- ein lichtmikroskopisches Schnittbild zur Erfindung (Umfangsfläche, geätzt)
- Fig. 5
- ein lichtmikroskopisches Schnittbild zum Stand der Technik (Umfangsfläche, geätzt)
- Fig. 6a - 6f
- Darstellungen zu verschiedenen für die Erfindung in Frage kommenden mechanischen Umformverfahren
- Fig. 7a, 7b
- eine schematische Veranschaulichung zur Entnahme der Proben für die metallographischen Untersuchungen
- Fig. 8a, 8b
- ein Referenzbeispiel der Erfindung zur Umfangsfläche (a) und zur Stirnfläche (b) inklusive Linienmuster für quantitative Gefügeauswertung
-
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Schleuderring 1, wobei die axiale Richtung A, die radiale Richtung R und die tangentiale Richtung T eingezeichnet wurden. Der Schleuderring 1 weist einen zylindrischen Grundkörper auf, dessen Umfangsfläche 2 von zwei Stirnseiten 3 begrenzt wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Schleuderring 1 zur Materialersparnis als Hohlzylinder ausgebildet. In den inneren Hohlraum kann eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben des Schleuderrings 1 eingreifen. Wie angedeutet, verläuft die Kornstreckung auf den Stirnseiten des Schleuderrings primär in tangentialer Richtung T. -
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schmelzschleudervorrichtung. Dabei ist der in derFig. 1 beschriebene Schleuderring 1 mit einer Antriebseinheit (welche aus Gründen der Übersicht nicht dargestellt ist) verbunden, welche eine Rotation des Schleuderringes 1 um seine rotationssymmetrische Achse hervorruft. Der Schleuderring 1 wird dabei durch eine Kühlvorrichtung (welche aus Gründen der Übersicht nicht dargestellt ist) gekühlt. Eine solche Kühlung des Schleuderringes kann beispielsweise durch eine Luftkühlung, Wasserkühlung oder durch ein anderes Medium ausgeführt sein, welches entweder an die Umfangsfläche 2 des Schleuderringes herangeführt wird oder an seiner Innenseite. Durch eine Einrichtung 5 zur Aufbringung von Schmelze 20 wird Schmelze 20 auf die Umfangsfläche 2 des Schleuderringes 1 aufgebracht. Diese ist in diesem Beispiel so ausgeführt, dass Schmelze 20 in das Innere der Einrichtung 5 zur Aufbringung von Schmelze 20 eingebracht wird und anschließend eine Druckkraft P auf die Schmelze 20 ausgeübt wird, sodass sie die Einrichtung 5 zur Aufbringung von Schmelze 20 über eine Aufbringdüse 21 verlässt. Die Schmelze 20 erstarrt durch Wärmeübertragung, indem sie Wärme an den kühlen Schleuderring 1 abgibt und wird von ihm mitgenommen, bis die Schmelze 20 durch die Zentrifugalkraft des rotierenden Schleuderringes 1 abgeworfen wird. -
Figuren 3a und 3b veranschaulichen den Erfindungsgedanken, wobeiFigur 3a die Gefügeausprägung bei einem Schleuderring nach Stand der Technik undFigur 3b die Gefügeausprägung bei einem erfindungsgemäßen Schleuderring zeigt. Dargestellt ist jeweils ein würfelförmiger Gefügeausschnitt mit einer Kantenlänge von 500 µm. Die Lage des Gefügeausschnitts bezüglich der Richtungen im Schleuderring ist über das Koordinatensystem angegeben. - Im Stand der Technik erfolgt die Hauptumformung in axialer Richtung A. Das sich einstellende Gefüge ist von einer Vielzahl an in tangentialer Richtung T verlaufenden Korngrenzen geprägt, siehe
Figur 3a . Diese Gefügecharakteristik begünstigt eine Rissbildung an der Umfangsfläche des Schleuderrings. - Durch eine Verlagerung der Hauptumformrichtung in die radiale Richtung R wird die Anzahl der Korngrenzen in tangentialer Richtung T auf der Umfangsfläche und damit die Neigung zur Rissbildung reduziert. Diese Gefügeausprägung bei einem erfindungsgemäßen Schleuderring ist in
Figur 3b gezeigt. - Weil der Grundkörper des Schleuderrings 1 in einem mechanischen Umformungsverfahren hergestellt wurde, dessen Hauptumformrichtung H so gewählt wurde, dass sie in der radialen Richtung R des fertigen Schleuderrings 1 verläuft, weist die Umfangsfläche 2 des Schleuderrings 1 eine weit geringere Anzahl an Korngrenzen auf als dies beim Stand der Technik der Fall ist. Dies ist besonders gut anhand eines Vergleichs der
Fig. 4 und5 erkennbar. - Beide Figuren zeigen lichtmikroskopische Aufnahmen von geätzten Schnitten, die von der Umfangsfläche 2 eines Schleuderrings 1 gemäß der Erfindung (
Fig. 4 ) bzw. gemäß Stand der Technik (Fig. 5 ) genommen wurden. Bei der Erfindung liegen auf der Umfangsfläche erkennbar viel weniger Korngrenzen vor, was die Bildung von Rissen entlang von Korngrenzen (vor allem aufgrund der thermischen Belastung durch die auftreffende Schmelze) erschwert. - Die Bestimmung der durchschnittlichen umfangsseitigen und stirnseitigen Kornstreckungsverhältnisse ku und ks, sowie auch der mittleren Korngröße dmean, erfolgt durch lichtmikroskopische Auswertung an metallographischen Schliffen.
-
Figuren 7a und 7b veranschaulichen die Position der Probenentnahme von Proben für die metallographischen Untersuchungen an einem Schleuderring 1.Figur 7a zeigt einen Schnitt parallel zur Stirnseite 3 zur Verdeutlichung der Probenstärke zwischen 2 und 5mm,Figur 7b einen Querschnitt des Schleuderrings 1 senkrecht zur tangentialen Richtung T.
Die Proben für die lichtmikroskopischen Untersuchungen wurden an der Umfangsfläche 2 im einem Abstand von 0,25 bis 0,75 mal der Ringhöhe entnommen (Fig. 7b ), um Kanteneffekte aus der Randzone des Materials so weit als möglich zu vermeiden. Der Entnahmebereich ist mit "sample" gekennzeichnet. Die Präparation und Betrachtung der Probe erfolgte an der radial innen liegenden Seite der Probe. Die Betrachtungsrichtung ist mit dem Buchstaben B in derFigur 7b gekennzeichnet. - Die Präparation der metallographischen Proben erfolgte wie folgt:
- Einbetten in Bakelitkörper Ø32mm bei einer Temperatur von 180 °C und Kraft von 20 kN
- Nasschleifen auf SiC- Papier mit den Körnungen 120, 320, 600, 800, 1500, 2400 für jeweils 30 Sekunden
- Polieren:
- ∘ 3 µm Diamantsuspension auf Poliertuch
- ∘ 1 µm Diamantspray auf Poliertuch
- ∘ 0,1 µm OPS Poliertuch
- ∘ Anpressdruck 10N, Dauer 30 min, Drehzahl 30 U/min
- Die präparierten Schliffproben wurden an LEICA Lichtmikroskopen (beispielsweise LEICA DMI 5000 M) untersucht. Zur Untersuchung der Korngröße und Kornstreckung wurden an den polierten Proben Korngrenzenätzungen mittels Murakami Ätzlösung durchgeführt. Die Murakami Ätzlösung besteht aus Kaliumhydroxid KOH und Kaliumferrizyanid K3[Fe(CN)6].
- Die quantitative Auswertung der mittleren Korngröße wurde in Anlehnung an das Linienschnittverfahren nach ASTM E112 durchgeführt. Dazu werden Bilder mit 200-facher Vergrößerung aufgenommen und jeweils die Anzahl der Korngrenzen in axialer und tangentialer Richtung, wenn es sich um die Umfangsfläche und die Bestimmung von ku handelt, bzw. in radialer und tangentialer Richtung, wenn es sich um eine der Stirnseiten und die Bestimmung von ks handelt, ausgezählt. Dabei werden die Korngrenzen an äquidistanten 1500 µm langen Linien, die in einem Abstand von mindestens 100 µm in beide die Bildebene aufspannenden Richtungen (Umfangsfläche: axial und tangential bzw. Stirnseiten: radial und tangential) in die Bildebene gelegt werden, gezählt. Für eine ausreichende Statistik kann neben einer reduzierten Bildvergrößerung pro Schliffbildaufnahme auch die Anzahl der Schliffbildaufnahmen je Probe erhöht werden.
- Die (richtungsunabhängigen) Kornstreckungsverhältnisse ku für die Umfangsfläche, bzw. ks für die Stirnfläche ergeben sich aus dem Verhältnis der ermittelten größeren Anzahl der Korngrenzen dividiert durch die geringere Anzahl der Korngrenzen. In der beschriebenen Auswertungsmethodik ist darauf zu achten, dass der Wert für die Richtung mit der größeren Anzahl an Korngrenzen durch den Wert für die Richtung mit der geringeren Anzahl an Korngrenzen dividiert wird.
- Die mittlere Korngröße dmean ergibt sich aus dem Mittelwert der beiden mittleren Korngrößen jeder Messrichtung in Anlehnung an die Auswertemethodik nach ASTM E112.
- Die
Fig. 8a zeigt ein Referenzbeispiel für eine Auswertung der Umfangsfläche: - ∘ Horizontale Linien = Axialrichtung:
- 27 Korngrenzen
- Mittlere Korngröße 55,6µm
- ∘ Vertikale Linien = Tangentialrichtung:
- 25 Korngrenzen
- Mittlere Korngröße 60,0 µm
- ∘ Kornstreckung ku =27:25=1,08
- ∘ Gemittelte Korngröße dmean = (55,6 µm+60,0 µm)/2 = 57,7 µm
- Die
Fig. 8b zeigt ein Referenzbeispiel für eine Auswertung der Stirnfläche: - ∘ Horizontale Linien = Tangentialrichtung:
- 21 Korngrenzen
- Mittlere Korngröße 71,4 µm (nach ASTM E112 Linienschnitt)
- ∘ Vertikale Linien = Radialrichtung:
- 47 Korngrenzen
- Mittlere Korngröße 31,9 µm (nach ASTM E112 Linienschnitt)
- ∘ Kornstreckung ks = 47:21 = 2,24
- ∘ Gemittelte Korngröße dmean = (71,4 µm+31,9 µm)/2 = 44,1 µm
-
Fig. 6a - 6f zeigen Darstellungen zu verschiedenen für die Erfindung in Frage kommenden mechanischen Umformverfahren. - Dabei zeigt
Fig. 6a ein Radialschmiedeverfahren mit der Option Radialrohrschmieden. Das Radialschmieden stellt ein Freiformen zur Querschnittsverjüngung an Stäben oder wie im Beispiel derFig. 6a gezeigt Rohren aus Metallen dar. Bei diesem Verfahren wird das Ausgangswerkstück 10 von zwei oder mehreren Werkzeugsegmenten 6, welche den zu bearbeitenden Querschnitt ganz oder nur zum Teil umschließen, bearbeitet. Die Werkzeugsegmente 6 weisen dabei eine sich verjüngende Form auf. Das Ausgangswerkstück 10 rotiert während des Schmiedeprozesses um seine eigene Achse und führt eine Vorschubbewegung entlang seiner Längsrichtung aus, wie durch die Pfeile gezeigt ist. Die Werkzeugsegmente 6 führen dabei eine "hämmernde" Bewegung aus, indem sie in radialer Richtung eine schwingende Bewegung ausführen, wie ebenfalls durch die Pfeife angedeutet ist. Durch die "hämmernde" Bewegung wird dabei das Ausgangswerkstück 10 durch die Werkzeugsegmente 6 zu einem Werkstück 7 mit geringerer Querschnittsfläche umgeformt. Der gewünschte Innendurchmesser des hierbei bearbeiteten Werkstückes 7 wird durch den gezeigten Dorn 8 sichergestellt. Durch einen anschließenden Ablängprozess (beispielsweise durch Sägen oder Drehen), kann das Rohr zu einem Schleuderring 1 weiterverarbeitet werden. Es ist gut erkennbar, wie die Hauptumformrichtung H der radialen Richtung R entspricht. -
Fig. 6b zeigt ein Strangpressverfahren. Hierbei wird ein Ausgangswerkstück 10 mithilfe eines Stempels 11 durch eine Matrize 9 gedrückt, welche einen Querschnitt aufweist, der jenen des herzustellenden Werkstückes 7 entspricht. Bei der Herstellung eines Rohres (hier im Speziellen als rotationssymmetrisches Rohr ausgebildet) kann ein Dorn 8 eingesetzt werden, welcher mit dem Stempel 11 verbunden ist oder mit dem Stempel 11 einstückig ausgebildet ist. Anschließend an das Strangpressverfahren kann durch einen Ablängprozess das Rohr zu einem erfindungsgemäßen Schleuderring 1 weiterverarbeitet werden. Die Hauptumformrichtung H entspricht der radialen Richtung R, wodurch die Merkmale eines erfindungsgemäßen Schleuderrings erzielt werden. -
Fig. 6c zeigt einen Walzprozess, bei dem ein ebenes, in der am Rohr resultierenden Radialrichtung vorverformtes Walzblech 19 durch eine Anordnung von Walzen 12 in eine Rohrform gebracht wird. Anschließend werden die Enden optional durch Fügen stoff-, form- bzw. kraftschlüssig miteinander verbunden (beispielsweise Schweißen, Löten, Kleben) und das Rohr kann durch Ablängen zu einem erfindungsgemäßen Schleuderring 1 weiterverarbeitet werden. Auch hier entspricht die Hauptumformrichtung H der radialen Richtung R des Bleches 19. - Beim Rohrwalzen, wie in
Fig. 6d gezeigt, wird ein Ausgangswerkstück 10 zwischen zwei Walzen 13 hindurchgeführt, welche eine gleichsinnige Rotationsbewegung ausführen. Diese Walzen 13 sind mit ihren Rotationsachsen windschief zu einer Rotationsachse des Werkstückes 7 ausgerichtet. Somit wird einerseits eine gegengleiche Rotation des Werkstückes 7 in Bezug zu den Walzen 13 sowie eine plastische Verformung des Ausgangswerkstückes 10 zum resultierenden Werkstück 7 erzielt. Es kann, wie hier dargestellt, ein Dorn 8 vorgesehen sein. Anschließend kann das Werkstück 7, bzw. Rohr durch Ablängen zu einem erfindungsgemäßen Schleuderring 1 weiterverarbeitet werden. Es ist gut zu erkennen, wie die Hauptumformrichtung H der radialen Richtung R entspricht, um einen erfindungsgemäßen Schleuderring herzustellen. - In
Fig. 6e ist ein Ringschmiedeprozess gezeigt. Hierbei wird das ringförmig vorliegende Ausgangswerkstück 10 auf einen Dorn 14 aufgebracht. Auf das Werkstück 7 wird durch eine Schmiedepresse/Schmiedehammer 15 eine Druckkraft ausgeübt, wodurch eine Verformung hervorgerufen wird. Nach Entlasten des Werkstückes 7 wird dieses um einen gewählten Winkel weitergedreht und abermals eine Druckkraft durch eine Schmiedepresse/Schmiedehammer 15 auf das Werkstück ausgeübt. Auch hier entspricht - wie bei einem erfindungsgemäßen Schleuderring 1 gefordert - die Hauptumformrichtung H der radialen Richtung R. - In
Fig. 6f ist ein Ringwalzprozess gezeigt. Hierbei liegt das Ausgangswerkstück 10 bereits als Ring vor. Dieses Werkstück 7 wird mit Hilfe einer Dornwalze 16 und einer Hauptwalze 17 in radialer Richtung verformt. Durch die Axialwalzen 18 kann dabei eine Verformung des Wegstückes 7 in axiale Richtung kontrolliert werden. Dieser Prozess wird vorwiegend als Warmumformung durchgeführt. Nach dem Ringwalzprozess kann das Werkstück 7 - ein erfindungsgemäßer Schleuderring 1 - mithilfe spanender Fertigungstechniken (wie zum Beispiel Drehen) weiterverarbeitet werden. Dabei entspricht die Hauptumformrichtung H der radialen Richtung R. - Natürlich sind auch noch andere Fertigungsverfahren denkbar. So könnte durchaus auch aus einem gewalzten Blech ein erfindungsgemäßer Schleuderring hergestellt werden, indem das ein gewalztes Blech tiefgezogen wird oder durch Fließdrücken bzw. Drücken verarbeitet, wird wobei darauf zu achten ist, dass sich die Hauptumformrichtung H des Ausgangsblechmaterials in die resultierende radiale Richtung R des erfindungsgemäßen Schleuderringes 1 erstreckt. Nach dem Fließdrücken oder Drücken muss/kann der Boden des entstehenden Werkstückes abgetrennt werden um einen Ring zu erhalten.
-
- 1
- Schleuderring
- 2
- Umfangsfläche des Schleuderrings
- 3
- Stirnseite des Schleuderrings
- 4
- Schmelzschleudervorrichtung
- 5
- Einrichtung zur Abgabe einer Schmelze
- 6
- Werkzeugsegment
- 7
- Werkstück
- 8
- Dorn
- 9
- Matrize
- 10
- Ausgangswerkstück
- 11
- Stempel
- 12
- Walze
- 13
- Walze
- 14
- Dorn
- 15
- Schmiedepresse/Schmiedehammer
- 16
- Dornwalze
- 17
- Hauptwalze
- 18
- Axialwalze
- 19
- Blech
- 20
- Schmelze
- 21
- Aufbringdüse
- A
- axiale Richtung
- R
- radiale Richtung
- T
- tangentiale Richtung
- H
- Hauptumformrichtung
- B
- Betrachtungsrichtung
- P
- Druckkraft
- ku
- Kornstreckungsverhältnis umfangsseitig
- ks
- Kornstreckungsverhältnis stirnseitig
- dmean
- mittlere Korngröße
Claims (11)
- Schleuderring (1) für eine Schmelzschleudervorrichtung, mit einem zylindrischen, mechanisch umgeformten Grundkörper aus einem Refraktärmetall oder einer Refraktärmetall-Basislegierung, welcher eine in einer tangentialen Richtung (T) verlaufende Umfangsfläche (2) aufweist, die in axialer Richtung (A) durch zwei Stirnseiten (3) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Umformgrad in radialer Richtung (R) größer als der Umformgrad in axialer Richtung (A) ist, wobei das durchschnittliche umfangsseitige Kornstreckungsverhältnis, kU, welches sich bei Draufsicht auf die Umfangsfläche (2) ergibt, kleiner ist als das durchschnittliche stirnseitige Kornstreckungsverhältnis, ks, welches sich bei Draufsicht auf eine der Stirnseiten (3) ergibt, wobei das Kornstreckungsverhältnis das Verhältnis von Kornlänge zu Kornbreite angibt, bestimmbar nach der Messmethode gemäß Beschreibung, wobei das Kornstreckungsverhältnis ku in einem Bereich von 1 < ku < 1,7 liegt, und wobei das Kornstreckungsverhältnis ks in einem Bereich von ks ≥ 1,8 liegt.
- Schleuderring nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mittlere Korngröße, dmean, nach dem Linienschnittverfahren nach ASTM E 112 auf der Umfangsseite kleiner als 500 µm ist.
- Schleuderring nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (2) normal zur Umfangsfläche (2) die Vorzugsorientierung(en) <111> und/oder <100> aufweist.
- Schleuderring nach Anspruch 3, wobei der Grundkörper (2) normal zur Umfangsfläche (2) eine Vorzugsorientierung in <111> Richtung mit einer Intensität von größer gleich 1,5-fach der Untergrundintensität aufweist.
- Schleuderring nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei dieser aus einer Molybdän Basislegierung besteht.
- Schleuderring nach Anspruch 5, wobei dieser aus einer Molybdän Basislegierung mit größer gleich 99 at% Molybdän, MHC oder TZM besteht.
- Schmelzschleudervorrichtung (4), insbesondere zur Seltenerdmagnetherstellung, mit zumindest einem Schleuderring (1) nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, einer Antriebsvorrichtung zum Antreiben des zumindest einen Schleuderrings (1) und einer Einrichtung (5) zur Abgabe einer Schmelze auf eine Umfangsfläche (2) des zumindest einen Schleuderrings (1).
- Verfahren zur Herstellung eines Schleuderrings (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein - insbesondere gesinterter - Rohling aus Refraktärmetall oder einer Refraktärmetall-Basislegierung mechanisch umgeformt wird, welcher eine in einer tangentialen Richtung (T) verlaufende Umfangsfläche (2) aufweist, die in axialer Richtung (A) durch zwei Stirnseiten (3) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Umformgrad in radialer Richtung (R) größer als der Umformgrad in axialer Richtung ist , wobei das durchschnittliche umfangsseitige Kornstreckungsverhältnis, ku, welches sich bei Draufsicht auf die Umfangsfläche (2) ergibt, kleiner ist als das durchschnittliche stirnseitige Kornstreckungsverhältnis, ks, welches sich bei Draufsicht auf eine der Stirnseiten (3) ergibt, wobei das Kornstreckungsverhältnis das Verhältnis von Kornlänge zu Kornbreite angibt, bestimmbar nach der Messmethode gemäß Beschreibung, wobei das Kornstreckungsverhältnis ku in einem Bereich von 1 < ku < 1,7 liegt, und wobei das Kornstreckungsverhältnis ks in einem Bereich von ks ≥ 1,8 liegt.
- Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das mechanische Umformen durch eines der Verfahren:- Radialschmieden, bevorzugt Radialrohrschmieden- Ringwalzen- Strangpressen- Ringschmieden- Rohrwalzenerfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 9, wobei das mechanische Umformen durch- Ringwalzen oder- Ringschmiedenerfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 8, wobei das mechanische Umformen durch- Walzen eines Bleches, Einrollen des gewalzten Bleches und Verbinden der Enden des Bleches erfolgt oder durch- Tiefziehen oder Fließdrücken eines vorzugsweise gewalzten Bleches erfolgt, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass ein Boden des tiefgezogenen bzw. fließgedrückten und ggf. gewalzten Bleches abgetrennt wird.
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