Vormaterial für die Erzeugung von Verbundwerkstoffen

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Vormaterial für die Herstellung von Verbundwerkstoffteilen bestehend aus einem rohrförmigen Außenteil und mindestens einem Kern oder Innenteil und zwei am rohrförmigen Außenteil stirnseitig angeordneten Verschlußteilen sowie einem Ver­fahren zur Herstellung des Vormaterials. Hiezu ist vorgesehen, daß die Verschlußteile zumindest teilweise in den Außenteil ragen, wobei an den Paßflächen eine Flächenpressung herrscht und im Vergleich mit dem Werkstoff des Außenteiles die Verschlußteile aus einem Werkstoff mit mindestens gleichem Ausdehnungskoeffizienten und mit im wesentlichen gleichen Formänderungwiderstand sowie einer höheren Erweichungtemperatur gebildet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht ein Einschrumpfen der Verschlußteile in den rohr­förmigen Außenteil mit einer gegebenenfalls nachfolgenden Evakuierung oder Füllung mit Inertgas der Resthohlräume vor.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Vormaterial für die Herstellung von Verbundwerkstoffteilen durch Warmumformung oder durch heißisos­tatisches Pressen, bestehend aus einem rohrförmigen Außenteil, der gegebenenfalls nach der Umformung, eine Komponente des Verbundteiles bildet, und mindestens einem Kern oder Innenteil, der aus festem und/oder pulverförmigem Material besteht, welcher im Fertigprodukt die weitere(n) Komponente(n) bildet, und zwei am rohrförmigen Außenteil stirnseitig angeordnete Verschlußteile, die gegebenenfalls einen Gasanschluß aufweisen sowie ein Verfahren zur Herstellung des Vormaterials.

[0002] Verbundwerkstoffe werden vorteilhaft für Maschinenteile und Werkzeuge eingesetzt, an welche gleichzeitig unterschiedliche An­forderungen , wie beispielsweise chemische Beständigkeit und Härte bzw. Festigkeit oder Verschleißfestigkeit und Zähigkeit, gestellt werden. Eine Schaffung solcher Verbundwerkstoffe kann durch Schmelzschweißplattieren und dgl. oder durch eine metallische Verbindung von zwei oder mehreren Teilen durch Warmumformung erfolgen.

[0003] Bei Herstellung einer metallischen Verbindung durch Warmumformung werden zumeist einzelne Teile in eine Kapsel eingebracht ( vgl. CH-A-227 631), diese gasdicht verschweißt ( vg. US-A- 4 640 815) und ein Resthohlraum in der Kapsel mittels eines Gasanschlusses für ein Erreichen einer ausreichenden metallischen Verbindung bzw. zur Vermeidung einer Oxidation der Oberfläche der Teile beim Erhitzen auf Verformungstemperatur mit Inertgas gefüllt oder insbesondere evakuiert, worauf dieser verschlossen wird ( vgl. EP-A-0114593).

[0004] Verbundwerkstoffe mit einer Innenkomponente und einer diese umschließende, insbesondere weitgehend konzentrische angeordnete Außenkomponente sind vorteilhaft und kostengünstig aus Vormaterial herstellbar, bei welchem der Außenteil gleichzeitig als Kapselmantel dient, wobei auf den Außenteil lediglich Kapselböden bzw. Verschlußteile stirnseitig aufgeschweißt werden. Nachteilig dabei ist, daß, wenn der Außenteil aus schwer schweißbarem oder nur mit entsprechender Vorwärmung schweißbarem Werkstoff besteht, wie u.a. Kaltarbeitsstähle (z.B. Werkstof DIN 1.2378 und dgl.), zusätzliche Maßnahmen wie beispielsweise ein Aufbringen von sogenannten Pufferschweißanlagen mit Zwischenglühungen des gesamten Außenteils und Reinigung bzw. Entzunderung, insbesondere der wärmebeeinflußten Zone erforderlich werden, bevor die Verschlußteile gasdicht aufschweißbar sind und die Schweißnaht selbst auch während einer Erwärmung des Vormaterials auf Verarbeitungstemperatur rißfrei bleibt und auch keine Risse im Grundwerkstoff induziert. Derartige zusätzliche Maßnahmen sind sehr aufwendig und erbringen meist nicht eine ausreichende Produktionssicherheit. Aus diesem Grunde und weil gegebenenfalls einige Sonderwerkstoffe nicht mit den Verschlußteilen bei Einhaltung der gestellten Anforderungen durch Schmelzschweißen verbunden werden können, muß vielfach eine Vormaterialherstellung durch ein Einschweißen der zu verbindenden Teile in eine aus schweißbaren Material bestehende verlorene Kapsel erfolgen.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, obige Nachteile zu vermeiden und auf einfache Weise ein Vormaterial für die Herstellung von Verbundwerkstoffteilen und ein Verfahren zur Herstellung des Vormaterials zu schaffen.

[0006] Die Erfindung besteht darin, daß Verschlußteile zumindest teilweise in einen rohrförmigen, vorzugsweise im Verschlußbereich, mit stufenförmigen Wandquerschnitt ausgebildeten Außenteil ragen, wobei an den Paßflächen, welche mit einer Rauhigkeit bzw. Rauhtiefe RA von höchstens 200 µm, vorzugsweise höchstens 10 µm, insbesondere 4 µm, gefertigt sind, eine Flächenpressung herrscht und die Verschlußteile, gegebenenfalls außenseitig, Halterungseinrichtungen, wie beispielsweise Zapfen, Sacklöcher, und dgl. und gegebenenfalls innenseitig eine oder mehrere Zentrier- oder Positionierstellen für den (die) Innenteil(e) aufweisen und im Vergleich mit dem Werkstoff des Außenteiles die Verschlußteile aus einem Werkstoff gebildet sind, der mindestens einen gleichen, insbesondere einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizient, vorzugsweise höheres Warmformungsvermögen, bei im wesentlichen gleichen Formänderungswiderstand bei Verarbeitungstemperatur des Vormaterials und eine um mindestens 90°C diese Temperatur übersteigende Erweichungstemeperatur aufweist und gegebenenfalls die Resthohlräume im Vormaterial mit Inertgas gefüllt oder evakuiert sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Verschlußteile aus einer austenitischen Legierung, insbesondere aus einem Chrom-Nickel-Stahl oder aus einem Manganstahl oder aus einem Nickel-Mangen-Stahl bestehen.

[0007] Das Verfahren zur Herstellung des Vormaterials besteht im wesentlichen darin, daß in einem rohrförmigen Außenteil, der gegebenenfalls vorher erwärmt wird, ein Verschlußteil, der auf eine um mindestens 50°C, vorzugsweise um 100°C, insbesondere um 150°C, tiefere Temperatur als der Außenteil aufweist, gebracht wird, eingesetzt und bis zum Temperaturausgleich gehalten wird, wonach in den einseitig verschlossenen Außenteil ein oder mehrere Innenteile(e), gegebenenfalls in Pulverform nach an sich bekannten Verfahren verdichtet, eingebracht wird (werden) und ein zweiter Verschlußteil nach dem gleichen Einsetzverfahren im Außenteil fixiert wird, gegebenenfalls mittels eines Gasanschlusses Inertgas in die Resthohlräume im Vormaterial eingebracht oder diese evakuiert werden, wonach der Gasanschluß verschlossen wird. Vorteilhaft ist es dabei, wenn der Außenteil auf Raumtemperatur gelassen und eine Einstellung der Temperaturdifferenz durch Kühlung der Verschlußteile in einem Kühlmedium, z.B. flüssiger Luft oder flüssigem Stickstoff, durchgeführt wird.

[0008] Entgegen dem Vorurteil des Fachmannes, daß bei einem vakuumdichten Schrumpfsitz bzw. bei durch eine Ausdehnung des Verschlußteiles auftretenden hohen Zugspannungen im Außenteil, insbesondere wenn dieser aus sprödem Material gefertigt ist, Risse entstehen und daß aufgrund von größer werdenden Zugspannungen und einer Duktilitätsverminderung des Materials bei Durchlaufen der Versprödungstemperatur während eines Aufheizens auf Verformungstemperatur weiters Risse gebildet werden, wurde gefunden, daß beim Einsatz von insbesondere aus austenitischem Material bestehenden Verschlußteilen auch während einer Erwärmung keine Risse im Außenteil gebildet werden, auch wenn dieser aus wenig zähem bzw. spödem Material besteht. Überraschenderweise wurde weiters gefunden, daß auch bei Gefügeumwandlungen im Material des Außenteiles beim Aufheizen, welche mit Volumsänderungen verbunden sind, eine Gasdichtheit bzw. Vakuumdichtheit der Schrumpfverbindung erhalten bleibt.

[0009] Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Aus­führungsbeispiele näher erläutert:

Fig. 1 zeigt ein Vormaterial für einen aus zwei Komponenten bestehenden Verbundwerkstoffteil,

in Fig. 2 ist schematisch ein Vormaterial für die Herstellung eines Triverbundteiles bzw. eines aus drei Komponenten gebildeten Teiles dargestellt.

[0010] Wie aus Fig. 1 ersehen werden kann, ist ein fester Innenteil (2) in einem Außenteil (1) eingebracht, in welchen stirnseitig teilweise die Verschlußteile (3) ragen. Die Paßflächen (4) werden durch einen stufenförmigen Wandquerschnitt des Außenteiles gebildet und kooperieren mit denjenigen der Verschlußteile. Die Verschlußteile (3) haben Halterungseinrichtungen (7), wobei ein Verschlußteil einen Gasanschluß (5) besitzt. Zwischen Außenteil (1) und Innenteil (2) ist einer der Resthohlräume (6) im Vormaterial gebildet.

[0011] In Fig. 2 ist ein Vormaterial für die Herstellung eines aus drei Komponenten bestehenden Verbundwerkstoffteiles dargestellt, wobei zwischen einem festen Kernteil (2), der in Positionierstellen (10) von Verschlußteilen (3) gehalten wird und einem Außenteil (1), in welchen die Verschlußteile (3) ragen, ein pulverförmiger Zwischenteil (9) angeordnet ist. Der Verschlußteil (3) , der einen Gasanschluß (5) trägt, weist eine als Sackloch ausgebildete Halterungseinrichtung auf.

Ansprüche

1. Vormaterial für die Herstellung von Verbundwerkstoffteilen durch Warmumformung oder durch heißisostatisches Pressen, bestehend aus einem rohrförmigen Außenteil, der, gegebenenfalls nach der Umformung, eine Komponente des Verbundteiles bildet und mindestens einem Kern oder Innenteil, der aus festem und/oder pulverförmigem Materials besteht, welcher im Fertigprodukt die weitere(n) Komponente(n) bildet und zwei am rohrförmigen Außenteil stirnseitig angeordnete Verschlußteile, die gegebenenfalls einem Gasanschluß aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußteile (3) zumindest teilweise in einen rohrförmigen, vorzugsweise im Verschlußbereich, mit stufenförmigem Wandquerschnitt ausgebildeten Außenteil (1) ragen, wobei an den Paßflächen (4) , welche mit einer Rauhigkeit bzw. Rauhtiefe (RA) von höchstens 200µm, vorzugsweise höchstens 10 µm, insbesondere 4µm, gefertigt sind, eine Flächenpressung herrscht und die Verschlußteile (3) gegebenenfalls außenseitig Halterungseinrichtungen (7), wie beispielsweise Zapfen, Sacklöcher und dgl. und gegebenenfalls innenseitig eine oder mehrere Zentrier-oder Positionierstellen (10) für den (die Innenteil(e) (9) aufweisen und im Vergleich mit dem Werkstoff des Außenteiles (1) die Verschlußteile (2) aus einem Werkstoff gebildet sind, der mindestens einen gleichen, insbesondere einen höheren, thermischen Ausdehnungskoeffizienten, vorzugsweise ein höheres Warmumformungsvermögen bei im wesentlichen gleichen Formänderungs­widerstand, bei Verarbeitungstemperatur des Vormaterials und eine um mindestens 90°C diese Temperatur übersteigende Erweichungstemperatur aufweist und gegebenenfalls die Resthohlräume (6) im Vormaterial mit Inertgas gefüllt oder evakuiert sind.

2. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußteile (3) aus einer austenitischen Legierung, insbesondere aus einem Chrom-Nickel-Stahl oder aus einem Mangan-Stahl oder aus einem Nickel-Mangan-Stahl, bestehen.

3. Verfahren zur Herstellung von Vormaterial gemäß Anspruch 1 und 2, für eine Fertigung von Verbundwerkstoffen durch Warmumformung, dadurch gekennzeichnet, daß in einen rohrförmigen Außenteil, der gegebenenfalls vorher erwärmt wird, ein Verschlußteil, der auf eine um mindestens 50°C, vorzugsweise um 100°C, insbesondere um 150°C, tiefere Temperatur als der Außenteil aufweist, gebracht wird, eingesetzt und bis zum Temperaturausgleich gehalten wird, wonach in den einseitig verschlossenen Außenteil ein oder mehrere Innenteil(e) gegebenenfalls in Pulverform nach an sich bekannten Verfahren eingebracht wird (werden) und ein zweiter Verschlußteil nach dem gleichen Einsetzverfahren im Außenteile fixiert wird, gegebenenfalls mittels eines Gasanschlusses Inertgas in die Resthohlräume im Vormaterial eingebracht oder diese evakuiert werden, wonach der Gasanschluß verschlossen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenteil (1) auf Raumtemperatur gelassen und eine Einstellung der Temperaturdifferenz durch Kühlung der Verschlußteile (3) in einem Kühlmedium, z.B. flüssige Luft oder flüssiger Stickstoff, durchgeführt wird.

Zeichnung