DE1667326A1

DE1667326A1 - Verfahren zum isostatischen Heisspressen von Materialien und Vorrichtung zu dessen Ausfuehrung

Info

Publication number: DE1667326A1
Application number: DE19671667326
Authority: DE
Inventors: Pfeiler William Albert; Valentine Charles Kenneth
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1966-12-19
Filing date: 1967-12-18
Publication date: 1971-06-09
Also published as: US3419935A; FR1550554A; CH488813A; NO119610B; SE311725B; GB1156069A; BE708182A

Description

United States Atomic Energy Commission Washington D. C, USA

Verfahren zum isostatischen Heisspressen von Materialien und Vorrichtung zu dessen Ausführung,

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Produkten durch isostatisches Heisspressen von Material, indem man dieses während des Aufheizens gleichmassig presst und unter erhöhter Temperatur hält und wobei man ein gasförmiges oder flüssiges Medium als Wärme- und Druckübertragungsmittel verwendet, sowie eine Vorrichtung zu dessen Ausführung.

Der Herstellung von Erzeugnissen im isostatischen Heisspressverfahren wird gegenwärtig grosses Interesse entgegengebracht, da die erhaltenen Erzeugnisse beinahe theoretische Dichte, verbunden mit gleichmässigen, bezüglich Maschinenbau und Metallurgie wünschenswerten Eigenschaften besitzen. Zum Herstellen von Erzeugnissen im isostatischen Heisspressverfahren werden normalerweise vorgeformte oder sonstwie erzeugte Materialien, z. B. Makroteilchen oder feste Metalle, Legierungen, keramische-Stoffe, Graphite, Karbide, Mischungen und/oder Schichten dieser Materialien

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usw. in einem Druckgefäss eingeschlossen. Diese Materialien werden anschliessend hohen gleichmässigen Drücken" und erhöhten Temperaturen ausgesetzt, welche Verdichtung und, bei gewissen Anwendungen, Bindung der eingeschlossenen Materialien bewirken. Eines der beizriiglich vielfältiger Kriterien wie Wirtschaftlichkeit, Leistungsfähigkeit und Eigenschaften des Erzeugnisses wohl aussichtsreichsten isostatischen Heisspressverfahren benutzt ein Gas als Druckübertragungsmittel. Das Gas ist vorzugsweise ein Inertgas, um Wechselwirkungen mit dem zu bearbeitenden Material, d. h. dem Werkstück, und mit Teilen des Druckgefässes, insbesondere bei höheren Temperaturen, ausjpraschliessen. Die Betriebsbedingungen in einer isostatischen Heisspressvorrichtung bei Verwendung von Inertgas können in einem D_ruckbereich von ungefähr einigen Atmosphären bis 3000 oder mehr Atmosphären oder in einem Betriebstemperaturbereich von ungefähr Raumtemperatur bis zu ungefähr 2000⁰C variieren. Isostatische Heisspressvorrichtungen dieser Art werden als "Gasautoklaven" bezeichnet. Dieser Begriff ist, zumindest was die diesbezügliche Technik anbetrifft, gebräuchlich, um eine Heisspressvorrichtung, in welcher ein Inertgas als Druckmedium für Hochdruck- und Hochtemperaturbetrieb verwendet wird, zu beschreiben. Demzufolge soll der Begriff "Autoklav" in dieser Beschreibung im Hinblick auf Hochdruck- und Hochtemperaturvorrichtungen verwendet werden.

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Obwohl die herkömmlichen' Gasautoklaven einige aussichtsreiche Resultate ergaben, hafteten ihnen verschiedene Mängel und Unzulänglichkeiten an, welche von den zuvielseitigen an sie gestellten Anforderungen herrührten. Beispielsweise war die Verwendung dieser bekannten Autoklaven zur Bearbeitung von relativ grossen Werkstücken (länger als ungefähr ca. 60 cm) infolge der Mangel des verwendeten Heizsystems zur Erwärmung der Werkstücke beschränkt. Es wurde eine beträchtliche Forschungsarbeit investiert, um ein Heizsystem zu entwickeln, welches in der Lage war, im wesentlichen während der Aufheizungsperiode'bei der maximalen Betriebstemperatur mit minimalen Teaperaturdifferenzen gleichmäesige Temperaturen im ganzen Werkstück zu erzeugen und aufrecht zu erhalten. Solch gleichmässiges Heizen wird als notwendig erachtet, um Erzeugnisse mit im wesentlichen gleichmässiger Verdichtung und durchgehender Bindung herzustellen. Möglicherweise bestand eines der bisher angewendeten besseren Verfahren zum Aufheizen des Werkstückes darin, das Bearbeitungsvolumen oder die Betriebszone des Autoklaven mit Heizelementen zum Heizen des Werkstückes vor allem durch Wärmeleitung vermittels Makroteilchen oder festem Packungsmaterial, worin das Werkstück eingebettet war, zu umgeben. Bei diesem und anderen bekannten Heizsystem traten jedoch während der Perioden des Aufheizens und Fressens längs relativ langen Werkstücken beträchtliche Temperaturgradienten auf. Beispielsweise trat in einem typischen Werkstücksbearbei-· tungsproxess, welcher in einem relativ langen Autoklaven ; ., durchgeführt wurde und eine Bearbeitungetemperatur von

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100O⁰O erforderte, während des Aufheizens und Pressens in der Bearbeitungszone eine Temperaturdifferenz von 200⁰C oder mehr auf. Eine Temperaturdifferenz dieser Grosse ist in der A_rbeitszone höchst unerwünscht, da unter diesen Bedingungen hergestellte Produkte bezüglich Verdichtung und Bindung ungleichmässig sind, was solche Erzeugnisse für die ihnen zugedachten Zwecke ungeeignet macht. Der in erster Linie für diese grossen Temperaturdifferenzen verantwortliche Mechanismus liegt in den thermischen Konvektionsströmen des als Druckübertragungsmedium verwendeten Gases. Diese Konvelt t ions ströme sind die Folge des Auftriebseffektes bei Temperaturdifferenzen (Temperaturschichtungen) in Medien, z, B. Gasen, wobei die heisseren Gase die Tendenz haben, aufwärts zu strömen und dabei unablässig kühlere Gase verdrängen. Dadurch entsteht beträchtliche Turbulenz in der Bearbeitungszone, während der oberste Teil des Werkstückes infolge des Zusammenströmens dieser heisseren Gase gleichzeitig heisser wird. Je grosser der Druck in der Bearbeitungszone ist, desto grosser ist die Turbulenz. Im weiteren ist die für eine Bearbeitung mögliche Länge des Werkstückes, d. h. seine vertikale Dimension in der Bearbeitungszone auf weniger als ungefähr 60 cm begrenzt, da die Unzulänglichkeiten infolge Gaskonvektionsströmen mit zunehmender Länge der Bearbeitungszone sich beträchtlich ver gross era. Bemühungen, die infolge solcher Konvektionsströme auftretenden Schwierigkeiten auf ein minimales Mass zu reduzieren oder zu überwinden, zeitigten bisher nur teilweisen Erfolg. Bei-

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spielsweise schliessen diese Bemühungen den Gebrauch von Helium als Druckübertragungsmedium ein, da dieses spezielle Gas nicht im gleichen Mass Konvektionsströmungen ausbildet und daher geringere Turbulenz erzeugt, als Argon oder möglicherweise andere Inertgase. Es wurde auch schon bereits versucht, die durch Konvektionsströme bedingten Temperaturgefälle innerhalb des Werkstückes zu kompensieren. Dazu wurden komplizierte Steuersysteme verwendet, um die Wärme zu den kühleren Flächen des Werkstückes zu leiten und dessen gleichmässigeres Erhitzen zu erreichen. Während diesem Wärmesteuerverfahren einiger Erfolg beschieden war, wurde es desto weniger wirkungsvoll, je mehr die Länge und der Durchmesser der Bearbeitungszone zunahmen. Es vermochte bei ungünstig hohen Temperaturen, welche im oberen Teil der Bearbeitungszone infolge unkontrollierter Gaskonvektionsströme auftraten, nicht genügend zu kompensieren.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, derartige Unzulänglichkeiten oder Mangel, mit welchen die bisherigen Gasautoklaven behaftet waren, zu beseitigen oder wesentlich zu verringern. Dazu findet ein neuartiges Gas-Heizsystem im Gasautoklaven Verwendung, welches unter Verwendung der bisher schädlichen Heissgaskonvektionsströme ein befriedigend gleichmässiges Aufheizen des Werkstückes erlaubt.

Das erfindungsgemässe Verfahren, da<i die bisherigen Nachteile umgeht, zeichnet sich dadurch, aus, dass man das Medium

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in einen umgrenzten mit zu behandelndem Material angefüllten R_aum leitet und dieses Material einer vorbestimmten Druckbeanspruchung unterwirft, dass man das Medium aufheizt, um eine thermische Konvektionsströmung zu erzeugen und einen Strom geheizten Mediums bildet und dass man den Strom geheizten Mediums längs eines ersten Strömungsweges leitet, um das Material praktisch gleichmässig aufzuheizen und dadurch, dass man diesen geheizten Mediumsstrom längs eines zweiten Strömungsweges, welcher vom ersten isoliert ist, leitet und dass man den geheizten Mediumsstrom kühlt, um seine Konvektionsbewegung zu unterstützen und dass man den gekühlten Mediumsstrom danach wieder aufheizt, um von neuem seine Bewegung längs des ersten Strömungsweges zu bewirken.

Die Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist gekennzeichnet durch ein Gehäuse 10, durch ein in diesem Gehäuse praktisch vertikal gestelltes Rohr 50, dessen Aussenabmessungen soviel kleiner sind als der Gefässhohlraum, dass dazwischen ein ringförmiger Durchgang festgelegt wird und ferner gekennzeichnet durch eine Materialbearbeitungszone im Rohr 50, durch in den Bereichen der sich gegenüberliegenden Enden des Rohres 5'0 vorgesehene öffnungen 52, 54, welche die Bearbeitungszone mit dem Durchgang verbinden und durch in der Zone angeordnete Heizmittel 24, um das gasförmige oder flüssige Arbeitsmedium zu erhitzen, zum Zwecke darin thermische Konvektionsströme zu erzeugen und einen praktisch kontinuierlichen Mediumskreis-

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lauf durch die Bearbeitungszone und den Durchgang zu bewirken .

Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand einer Figur erläutert. Diese zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt einer bevorzugten Form eines Gasautoklaven oder einer isostatischen Heisspressvorrichtung, welche ein Heizsystem mit natürlicher Konvektion umfasst.

Die isostatische Heisspressvorrichtung bzw. der Gasautoklav umfasst ein Hochdruckgefäss*10 von im allgemeinen rohrförmiger Gestalt, wodurch ein zentraler Hohlraum 12 festgelegt

wird. Dieser Hohlraum 12 ist mit in vertikaler Richtung voneinander getrennten wassergekühlten, pilzförmigen Gebilden oder Dichtungeeinsätzen 14 und 16 versehen, welche mit Wandteilen des Gefässes 10 den Hohlraum 12 abgrenzen. Dieser bildet eine innerhalb des Gefässes 10 abgeschlossene Kammer, worin beispielsweise oben erwähnte Materialien isostatisch heissgepresst werden können. Die Dichtungseinsätze 14- und 16 sind mit Verschlussmechanismen, wie z. B. Schraubenschnellverschluss (sog. Drahtfeder-Sehne11verschluss) (nicht ersichtlich) versehen, um vom Hohlraum schnell und leicht entfernt zu werden. An Ort und Stelle befestigt, halten sie den bestimmten Druckbeanspruchungen stand.

Am unteren Ende bzw. im unteren Teil der geschlossenen Kammer des D_ruckgefässes ist eine Heizeinrichtung oder -Ein-

' satz 18 ersichtlich, welcher einen oben offenen Metallbehälter

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20 mit einem Boden -umfasst. Dieser Behälter 20 ist mit feuerfestem Material 21, z. B. herkömmlichen feuerfesten Steinen gefüllt und auf dem unteren Dichtungseinsaty 14 unter Dazwischenschaltung einer Anzahl von feuerfesten Steinen 22 ο. dgl. abgestützt. Im Behälter 20 ist ein Heizelement 24 für die Erhitzung des druck- und temperaturübertragenden Gases abgestützt. Dieses Heizelement kann von irgend einer Konstruktion, jedoch genügend durchlöchert oder porös sein, um einen relativ ungehemmten Gasdurchfluss zu ermöglichen. Befriedigende Resultate wurden durch Verwendung eines elektrischen Heizelementes mit einer Vielzahl von spiralförmig gewundenen Widerstandsheizbändern 26 aus einem feuerfesten Metall, wie z. B. Wolfram oder Molybdän erreicht. Diese Heizbänder sind lose gewunden, um reichlich Kaum zwischen benachbarten Bändern 26 für den Durchfluss der gewünschten Menge Gas durch das Heizelement vorzusehen. Die Bänder 26 sind derart gewunden, dass ihre inneren Enden die P Form eines Toroids aufweisen, welches im Bereiche des Mittelpunktes des Heizelementes liegt, während die äusseren Enden für den Anschluss an eine äussere Stromversorgung (nicht dargestellt) über elektrische Zuführungen 28 vorgesehen sind. Die Heizbänder 26 werden von der oberen Fläche des Behälters

20 durch irgendwelche Stützgebilde, z. B. geschlitzte _t

29 im Abstand gehalten, durch welche Streben Bänder aufnehmende Strebetvon unten her Gas in das Heizaggregat für nachstehend im Detail beschriebene Zwecke einströmen kann.

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An einer Stelle oberhalb des Heizaggregates ist das zu bearbeitende Material oder Werkstück 30 in der geschloseenen Druckgefässkammer angeordnet. Dieses Werkstück 30 kann länglich sein. Es ist vorzugsweise in einem relativ dünnen undurchlässigen Blechgefäss oder -beutel 32 eines entsprechenden Materials, z. B. rostfreien Stahls o. dgl., abgeschlossen. Dieses Blechgeibilde ist in einen metallenen Korb oder Behälter 34· von wesentlich grösserem Volumen als gj demjenigen des Blechgefässes 32 eingelegt und mit einer genügenden Anzahl von Löchern oder öffnungen in den Seitenwänden ausgestattet, um den Durchfluss des Gases zu ermöglichen. Der leere Raum zwischen dem Blechgefäss 32 und dem Behälter 34· wird vorzugsweise mit einem körnigen inaktiven Packungsmaterial 36, z. B. Tonerde, Magnesiumoxyd usw. gefüllt, um das Werkstück 30 in der gewünschten Position im Behälter 34 zu fixieren.

Durch Verwendung eines körnigen Materials ergibt sich ein poröses, relativ unnachgiebiges Stückgefüge, durch welches heisse Gase leicht hindurchströmen können, um das Werkstück zu erhitzen und dieses isostatisch zu pressen, wie nachstehend im Detail dargelegt werden wird.

Um das Werkstück 30 in der geschlossenen Kammer des gefässes in eine gewünschte Lage über dem Heizaggregat 18 zu bringen und auch um ein© Bearbeitungszone oder thermische Druckzone festzulegen, innerhalb welcher das Werkstück zu

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bearbeiten ist, wird der Behälter 34 in einem kelchähnlichen Teil oder einer Glocke 38 gestützt. Diese Glocke ist vorzugsweise so bemessen, dass das Volumen innerhalb der Glocke, wie es durch deren innere Abschlussdecke 40 und innere Seitenwände 42 oder durch einen inneren Durchmesser und die innere Länge oder Höhe definiert wird, gross genug ist, um den Behälter und seinen Inhalt in einem genügenden Abstand von den inneren Wandungen der Glocke aufzunehmen. Der innere Durchmesser der Glocke ist auch gross genug, so dass der Bereich des offenen Endes der Glocke seitlich um das Heizelement 24 herum und in einem vorbestimmten Abstand von diesem angeordnet ist. Somit enthält die Glocke, wie gezeigt, sowohl den Behälter 34 als auch das Heizelement 24. Ferner liegt sie auf der oberen Fläche des Behälters- 20 auf, um die effektive Arbeitszone auf die Begrenzung durch die Glocke zu beschränken. Der Behälter 34 kann irgendwie in der gewünschten Lage in der Glocke gehalten werden, z. B. durch eine netzartige Anordnung mit einem Paar getrennten, beweglichen Streben 44 und 46, weiche in den inneren Durohmesser der Glocke vorstehen und mit deren -üindteilen in entsprechende Ausnehmungen in den Glockenwandungen 42 passen. Diese Streben sind vorzugsweise aus einem hitzebeständigen Material, z. B, rostfreiem Stahl o. dgl., um angemessene Halterung des Werkstückes während dem Pressvorgang zu gewährleisten* Falls die Streben jedoch während des Bearbeitungsvorgeiges des Materials weich werden oder ausfallen sollten, sorgt ein in der öffnung im Zentrum des aus den gewundenen Heizbändern

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26 gebildeten Heizelementes 24 angeordneter und auf dem Boden des Behälters 20 ruhender Zylinder 48 aus G^phit oder einem anderen entsprechenden Material für hinreichenden Halt des Werkstückes.

Die Glocke 38 und ihr Inhalt sind im Druckgefäss 10 angeordnet. Dabei sind der untere und der obere Dichtungseinsatz bzw. 16 in einiger Entfernung vom Behälter 20 bzw. von der oberen Fläche der Glocke angeordnet, durch welche Anordnung übermässiges Erhitzen der Dichtung;seinsätze während des Pressvorganges im wesentlichen auf ein Minimum reduziert wird Die Hohlräume» welche durch diese räumliche Anordnung bestimmt werden, können durch Isoliermaterial 47, z. B. Körner von geschmolzenem Aluminiumoxyd o. dgl. gefüllt sein, um die Wärmeübertragung von der Bearbeitungszone auf die Dichtungseinsätyze weiter herabzusetzen. Auch kann die Glocke mit einem Durchgang 49 versehen sein, um das Anbringen oder Einsetzen eines Thermoelementes und anderer Messinstrumente in der Bearbeitungszone zu ermöglichen.

Wie vorstehend kurz erwähnt, funktioniert das Werkstückprinzip Heizsystem nach dem Konvektionsheiy wobei sich die Gase nach dem Aufheizen als gleichmässiger_s d, Ii· relativ nicht turbulenter Strom längs eines ersten Strömungsweges aufwärts bewegen, um das Werkstück zu erhitzen und nachher längs eines getrennten und vorbestimmten Strömungsweges abwärts zur Heizvorrichtung zurückzuströmen. Auf diese Weise • werden sowohl ungünstige Temperaturdiffgrenzen als auch

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turbulente Mischungen der heissen Gase mit den kühleren vermieden. Um solch getrennte Strömungswege für das Wärme übertragende Gas zu schaffen, wurde die Bearbeitungszone mit einer rohrförmig verlängerten Wand bzw. einem Führungsrohr 50 ausgerüstet. Dieses Führungsrohr 50 umfasst den Werkstückbehälter 34· und ist zwischen der Glockenseitenwand 4-2 und dem Werkstückbehälter 34· angeordnet. Es entstehen dadurch auf der äusseren und inneren S_eite der Rohrwand des Führungsrohrs 50 vertikal orientierte ringförmige Kanäle oder Durchgangswege, lie gezeigt ist das Führungsrohr von der Glocke 38 getragen und daran befestigt. Es ist mit durchgehenden öffnungen oder Spalten 52 und 54- im Bereiche des oberen bzw,, unteren Endes des Führungsrohres 50 versehen, um die Durchgangs- oder Gasströmungswege mit einander in Übereinstimmung zu bringen. Diese Übereinstimmung der Strömungswege kann auch dadurch erzielt werden, dass das Führungsrohr 50 kurz vor dem Glockendeckel 4-0 und der oberen Fläche des Behälters 20 aufhört und das Führungsrohr 50 an der Glocke 34- befestigt wird.

Auf js&en 1b.11 ist es zumindest höchst wünschenswert, wenn nicht sogar notwendig^ ein Führ cmgsroar von genügender Länge zu ve-rwQs,de2?.ä so dass, wenn in der Bearbeitungszone montiert, es die Endflächen des Werkstückbehälters 34- oder mindestens das Werkstück 30 selbst überragt, um sicherzustellen, dass die heisserea Gase nicht eher vom inneren Durchgang entweichen, als bis ei© die vollständige Länge des Werkstückes 30

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gleichmässig erhitzt haben und um ebenfalls sicherzustellen, dass die kühleren Gase vom äusseren Durchgang wieder aufgeheizt sind, bevor sie mit dem Werkstück Z 30 in Berührung treten. Im weiteren ist die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Heissgassäcken und Zonen, in welchen Turbulenz durch die Mischung von Gasen bei verschiedenen Temperaturen auftritt, auf ein Minimum reduziert, da die Öffnungen 52 und 54 zwischen diesen Durchgangswegen in·der Nähe des oberen und unteren Endes des Führungsrohres 50 angeordnet sind. Dadurch, dass die öffnungen zwischen den Durchgangswegen am unteren Ende des Führungsrohres oder der Bearbeitungszone in einer Ebene unterhalb des Heizelementes 24 liegen, ist auch gewährleistet, dass die kühleren Gase in und durch das Heizelement 24 gezogen werden, bevor sie Gelegenheit erhalten, mit den heisseren Gasen, welche vom Heizelement 24 wegströmen, in Berührung zu kommen.

Um einen kontinuierlichen Gas-Kreislauf der das Werkstück erhitzenden Gase durch die Durchgangswege auf sich gegenüberliegenden Seiten des Führungsrohres 50 zu erreichen, übt die Glockenseitenwand 42 einen "KaltwandW-Effekt auf das Gas im nächsten Durchgangsweg der Seitenwand 42 aus. Es funktioniert somit die Seitenwand 42 als sog. Wärmesenke. Wenn das Gas in diesen Durchgang eintritt, wird ihm Wärme entzogen. Seine Dichte erhöht sich infolge seiner Abkühlung, wodurch dieses "gekühlte" Gas zum Abwärtsströmen veranlasst wird. Um die Abkühlung des Gases, welches in den äusseren Durchgang ein-

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dringt, relativ rascher zu erreichen und um den abwärts gerichteten Fluss der Gase zu vergrössern oder zu fördern, können die Glockenseitenwände 42 mit äusseren Mitteln gekühlt werden. Die erhöhte Kühlung der Glockenseitenwand 42 kann in irgendeiner Weise geschehen, z. b. durch Anbringung einer Wärmesenke in der Form eines Wärmeaustauschers mit gasförmigem oder flüssigem Kühlmedium, der in nächster Nähe rund um die Glockenseitenwand 42 herum angeordnet sein kann₀ Befriedigende Resultate wurden durch Umschliessen der Glocke 38 mit einem Wärmeaustauscher 55 erzielt, in dem eine Flüssigkeit, z. B. Wasser als Kühlmittel verwendet wurde. Der Wärmeaustauscher umfasst ein Paar ringförmige, längliche Platten 56 und 58, welche miteinander verbunden und am Druckgefäss befestigt, d. h. zwischen den Druckgefässwänden und in nächster Nähe der äusseren Seitenwände der Glocke 38 angeordnet sind. Die innere Platte 56 ist vorzugsweise die dickere der beiden und kann mit einer Mehrzahl von vertikal sich erstreckenden und in radialem Abstand befindlichen miteinander verbundenen Aussparungen 60 versehen sein, um so mit der äusseren Platte 58 eine Mehrzahl eingeschlossener Kühlungskanäle zu bilden. Dieser Aufbau des Wärmeaustauschers hat sich als günstig erwiesen, da er genügend Verformungswiderstand gegenüber den Hochdruckbeanspruchungen innerhalb des Druckgefässe eaufweist und auch ausreichende Kühlung der Glockenseitenwand 42 ergibt, um den erwünschten Kühlwandeffekt zu erzielen. Der Gebrauch eines solchen Wärmeaustauschers ist auch in vielen Druckgefässkonstruktionen wünschens-

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wert, da er dessen ÜberhitZungsmöglichkeit verhindert oder doch die Gefahr auf ein Minimum beschränkt·

Als Wärme- und Druckübertragungs-Medium wird vorzugsweise ein Inertgas, z_e B. H_elium oder Argon, verwendet, wobei letzteres, da es wirtschaftlicher und ein besserer thermischer Isolator ist, bevorzugt wird. Die beschriebene Vorrichtung ist jedoch nicht auf den Gebrauch von Inertgasen

wie Argon und Helium beschränkt, indem jede Substanz, welche nicht mit den Materialien und Bauelementen der Vorrichtung reagiert und welche Substanzen als Gas bei den bestimmten Drücken und Temperaturen wirkt, ebenfalls Verwendung finden kann. Im weitern können, wenn erwünscht, sogar reaktionsfähige Gase, wie z.B. Stickstoff und Wasserstoff, verwendet werden und zwar entweder allein oder in Verbindung mit Inertgasen, um in der Betriebszone gewisse Atmosphären, z. B. eine reduzierende Atmosphäre mit Wasserstoff herzustellen. Das Gas kann durch eine Leitung 62 und eine Mehr- ^ zahl von Durchgängen 64 durch den Behälter 20 in die Betriebszone geleitet werden. Das Gas wird vorzugsweise beim gewählten Pressdruck für das Werkstück in die Betriebszone eingeführt und unter diesem Druck gehalten* Dazm kann aas Heizsystem benützt werden, um züsätsliche DruckerhöhTingen des Gases zu bewirken. Das Gas sollte innerhalb der Werkzone genügend Druck und Temperatur aufweisen, vm daß Werkstück plastisch zu deformieren und FestkorperdifftieioBsbin,-dung zu begünstigen und/oder um die Pulver genügend zu

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heizen und zu deformieren und somit ein Sintern und Verdichtung auf praktisch theoretische Dichten zu bewirken.

Im weiteren sollte der Druck des Gases in der Betriebszone

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mindestens ungefähr 35 kp/cm betragen, da die Erzeugung von Konvektionsströmen in Zonen kleineren Gasdruckes ungenügend ist, um die nötige Wärme vom Heizelement 24· zu übertragen. Zusätzlich zu den spezifischen Bindungstemperaturen und D_ruckerfordernissen für die verschiedenen zu bearbeitenden Materialien, weiche· einen Temperaturbereich von ungefähr Zimmertemperatur bis über 2000⁰C hinaus und einen Druckbereich bis 3000 Atmosphären und höher umfassen mögen, erfordern gewisse Materialien auch Haltezeiten längerer Dauer unter Betriebstemperaturen und Drücken, um das Erreichen von zeitabhängigen physikalischen Veränderungen im Erzeugnis, z. B. Bindung, Deformation des Materials, Verdichtung usw. zu gewährleisten.

Für das-bessere Verständnis wird im folgenden ein typischer, isostatischer Warmpressvorgang beschrieben. Der Werkstoff für dieses Beispiel ist Beryllium-Pulver, welches bei einer Temperatur von ungefähr 800°C und einem Druck von 1050 kp/cm sowi-3 einer Presszeit von ungefähr 1 - 2 Stunden unterworfen werden seil»

Bei der "beschriebenen Warmpressvorrichtung wird durch die Leitung 62 Argon in die Betriebszone eingeführt, um die Behandlungssone mit Gas von annähernd dem gewünschten Betriebs-

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druck von 1050 atü zu füllen. Dieses Gas wird dann durch das Heizelement 24 auf die gewünschte Betriebstemperatur von ungefähr 800⁰C erhitzte Das geheizte Gas steigt infolge natürlicher Wärmekonvektion in Form eines gleichförmigen Stromes durch den Kanal, welcher teilweise durch den Werkstückbehälter 34- und das Führungsrohr 50 gebildet wird in den oberen Teil der Bearbeitungszone auf. Dieses geheizte Gas strömt ebenfalls durch die Zwischenräume in der Masse des körnigen, im Behälter gepackten Materials 36, um das Werkstück gleichzeitig zu verdichten und auf die gewünschte Betriebstemperatur aufzuheizen. Nach Erreichen des oberen Teiles der Betriebszone, d. h. des Teiles der Zone oberhalb des Werkstückes und vorzugsweise oberhalb des Werkstückbehälters 34, strömt das Gas durch die Spalten 52 im Führungsrohr 50.' Es gelangt in Berührung mit der kalten Wand 42, an der sich das Gas abkühlt und über den Kanal, welcher durch das Führungsrohr 50 und die kalte Wand 42 gebildet wird, so dass es in den unteren Teil der Betriebszone strömt· Dieses kühlere Gas bewegt sich dann durch den Spalt 54- in das Heizaggregat 18 unterhalb des Heizelementes 24 und von dort durch letzteres, um wieder aufgeheizt zu werden und den kontinuierlichen Kreislauf durch die Kanäle von neuem zu beginnen.

Das Erhitzen und Pressen des Werkstückes wird während der gewünschten Zeitdauer von ungefähr 1-2 Stunden aufrechterhalten. Dadurch wird gewährleistet, dass die verarbeiteten Pulver gebunden und genügend verdichtet werden, um das ge-

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wünschte Erzeugnis zu "bilden. N_ach Vollendung des Vorganges wird die Glocke 38 vom Druckgefäss entfernt, um das Erzeugnis aus dem Behälter 34 und dem Blechgefäss 32 herauszunehmen.

Erzeugnisse, welche im vorliegenden Gasautoklaven hergestellt werden, weisen im wesentlichen gleichmässige Dichte über ihrer ganzen Länge auf, unabhängig davon, ob die Erzeugnislänge weniger als ca. 30 cm oder bis ungefähr 1,2 m beträgt. Diese einzigartige Produktverdichtung ist die Folge der Verwendung des neuen Heizsystems, welches über die ganze effektive Länge der Betriebszone innerhalb des Führungsrohres eine gleichmässige Temperaturverteilung ergibt und damit eine gleichmässige Erhitzung des Werkstückes sicherstellt. Die Ursache dieser gleichmässigen Erwärmung liegt darin, dass bei Werkstücken von angenähert 1,2 m Länge, welche bei Temperaturen von ungefähr 1000°0 bearbeitet werden, das Temperaturgefälle im Werkstück von einem Ende zum anderen während der Aufheiz- und Pressperiode ungefähr 25⁰O beträgt.

Während das neue Autoklaven-Heizsystem anhand eines oben einzufüllenden Druckgefässes beschrieben wurde, ist es ebensogut möglich, das Heizsystem in irgendeiner Ar* Druckgefäss, z. B. einem von unten zu beschickenden Druckgefäss oder in einem Druckgefäss, in welchem das Kanal bildende Führungsrohr und die kalte Wand als feste Bestandteile des Druckgefässes ausgebildet sind, zu verwenden.

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Beim dargelegten Gasautoklaven stellt das Gas sowohl das Wärme- als auch Druckübertragungs-Medium für bei Gleichdruck: warmgepresste Erzeugnisse dar. Im hier beschriebenen Falle erzeugt die durch den Heizmechanismus hervorgerufene Konvektionsströmung im wesentlichen eine gleichmässige Temperaturverteilung im ganzen Werkstück, während die thermischen Konvektionsströme in früher bekannten Druckgefässen primär für ungleichmässiges Erwärmen und schwache Verdichtung des Werkstückes verantwortlich waren. Die effektive Länge der Bearbeitungszone kann in Autoklaven, in welchen das vorstehend beschriebene Heizsystem verwendet wird, bedeutend grosser gehalten werden, als in herkömmlichen Typen, da in diesen früheren Vorrichtungen Konvektionsströme mit zunehmender Länge der Bearbeitungszone immer kleiner wurden. Im weiteren kann das nützliche Volumen der Betriebszone auch dadurch wesentlich vergrössert werden, dass die Heizvorrichtung am unteren Ende der Betriebszone angeordnet ist, und das Werkstück nicht mit Heizelementen und Isolationen umgeben ist, wie dies früher der Fall war.

Im erläuterten Sinne ist also eine Anordnung vorgesehen, in welcher die Gase sich in kontinuierlichem Umlauf befinden, Sie bilden ein internes, relativ turbulenzfreies, in sich geschlossenes Gasheizsystem mit natürlicher Konvektion, um das ganze Werkstück gleielimässig zu erhitzen* Dieses gleichmassige Erhitzen von Werkstücken kann mit Werkstücken erreicht werden, deren Länge mehr als zweimal so gro3s ist wie

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die maximale Länge von in bisherigen Gasautoklaven bearbeiteten Werkstücken.

Es kann nun ein neues und verbessertes isostatisch heissgepresstes Erzeugnis hergestellt werden, welches im wesentlichen gleichförmige Dichte und Bindung durch und durch und unabhängig von den E_rzeugnisdimensionen aufweist.

Zusammenfassend ist festzuhalten:

Produkte, welche eine gleichmässige Verdichtung aufweisen, werden in einer isostatischen Heisspressvorrichtung hergestellt, wobei ein Gas als Wärmeträger und Druckübertragungsmedium verwendet wird. Gleichmässige Temperaturverteilung in der ganzen thermischen Presszone wird durch Verwendung eines natürlichen thermischen K_onvektionsheiBsystems, welches in einem geschlossenen Kreislauf arbeitet, erreicht. Ein Edelgas, welches am unteren Ende der thermischen Druckzone erwärmt wird, steigt durch natürliche Konvektionskräfte längs eines ersten Strömungsweges auf, um das Ausgangsmaterial zu heizen und gelangt dann in Kontakt mit einer kalten Wand, welche das Gas längs eines separaten Strömungsweges zum Abwärtsströmen zwingt. Hierauf wird das Gas wieder erwärmt und der Krieislauf wiederholt sich.

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Claims

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Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen von Produkten durch isostatisches Heisspressen von Material, indem man dieses während des Aufheizens gleichmässig presst und unter erhöhter Temperatur hält, und wobei man ein gasförmiges oder flüssiges Medium als Wärme- und Druckübertragungsmittel verwendet, dadurch gekennzeichnet, dass man das Medium in einen umgrenzten, mit zu behandelndem Material (30) angefüllten Raum leitet und dieses Material (30) einer vorbestimmten Druckbeanspruchung unterwirft, dass man das Medium aufheizt, um eine thermische Konvektionsstromung zu erzeugen und einen Strom geheizten Mediums bildet und dass man den Strom geheizten Mediums längs eines ersten Strömungsweges leitet, um das Material (30) praktisch gleichmässig aufzuheizen und dadQuch, dass man diesen geheizten Mediumsstrom längs eines zweiten Strömungeweges, welcher vom ersten isoliert ist, leitet und dass man den geheizten Mediumsstrom kühlt, um seine Konvektionsbewegung zu unterstützen und dass man den gekühlten Mediumsstrom danach wieder aufheizt, um von neuem seine Bewegung längs des ersten Strömungsweges zu bewirken.

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2. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (10), durch ein in diesem Gehäuse praktisch vertikal gestelltes Rohr (50), dessen Aussenabmessungen soviel kleiner sind als der Gefässhohlraum, dass dazwischen ein ringförmiger Durchgang festgelegt wird und ferner gekennzeichnet durch eine Materialbearbeitungszone im Rohr (50), durch in den Bereichen der sich gegenüberliegenden Enden des Rohres (50) vorgesehene Öffnungen (52, 54), welche die Bearbeitungszone mit dem Durchgang verbinden und durch in der Zone angeordnete Heizmittel (24), um das gasförmige oder flüssige Arbeitsmedium zu erhitzen, zum Zwecke darin thermische Konvektionsströme zu erzeugen und einen praktisch kontinuierlichen Mediumskreisiauf durch die Bearbeitungszone und den Durchgang zu bewirken.-

3ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Mediumsdruck bewirkte, vorbestimmte Druckbelastung und die Temperatur des geheizten Mediums ausreichen, um wenigstens eine der folgenden Erzeugniseigenschaften und -Charakteristiken zu erhalten:

- gleichförmige Verdichtung des ganzen Erzeugnisses auf annähernd theoretische Dichte,

- Fest&perdiffusionsbindung,

- plastische Deformation des Materials.

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4. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass man als Arbeitsmedium ein Inertgas aus der Argon und Helium umfassenden Gruppe von Gasen wählt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das zu behandelnde Material (30) länger als breit wählt und dass man den Strömungsweg für das Medium praktisch vertikal ausrichtet und dass man das Erzeugnismaterial (30) in diesen ersten Strömungsweg bringt und es mit dem aufgeheiz- ™ ten Mediumsstrom umgibt und dass man das Erzeugnismaterial (30) der Länge nach in Sichtung des ersten Strömungsweges ausrichtet und dass man das Medium direkt unter dem ersten Strömungsweg und in einem vorbestimmten Abstand vom Erzeugnismaterial (30) vornimmt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch den Gehäusewandteilen (12) benachbarte Mittel (56, 58) zum Kühlen dieser Wandteile (12) und d*s Arbeitsmediums im Durch- g gang zwecks Begünstigung der Mediumsströmung.

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lbb/326

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizmittel (24) in der Zone zwischen den Öffnungen (52, 54) angeordnet sind, und dass die Heizmittel (24) eine durchgehende Leitung aufweisen, um einen Strömungsweg für das aus den Öffnungen (54) strömende Medium zu schaffen und das Erhitzen der Flüssigkeit zu erleichtern, bevor diese in grösserer Menge der Bearbeitungszone zugeführt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Gefässmittel (32, 34) zur Aufnahme von zu bearbeitendem Material (30) zum Einbringen im Hauptteil der Zone an einem Ort vorgesehen sind, welcher über den Heizmitteln (24) liegt und seitlich innerhalb dem Rohr (50) mit Zwischenraum zwischen den beiden angeordnet ist, um mit dem Rohr (50) einen sich vertikal erstreckenden ringförmigen Kanal innerhalb der Zone festzulegen und ferner dadurch gekennzeichnet, dass das Eohr (50) über die Gefässmittel (32, 34) hinausragt, wenn diese in genes eingebracht sind, um zu gewährleisten, dass die Öffnungen (52* 54) in Ebenen über und unter dem Material (30) liegen, wenn sich dieses in den Gefässmitteln (32, 34) befindet.

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ORIGINAL INSPECTED

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gefässmittel (32, 34-) ein perforiertes längliches Gefäss (34·) umfassen, welches zur Aufnahme durchlässiger Mittel (36) vorgesehen ist, um das zu bearbeitende Material von den Wänden des inneren Gefässes (32) abzuhalten und dass das perforierte Gefäss (34·) und die durchlässigen Mittel (36) die Wärmeübertragung vom Arbeitsmedium auf das Material (30) erleichtern.

e Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die durchlässigen Mittel (36) im Gefäss (34·) getrennte Makroteilchen enthalten, und dass die Makroteilchen darin so angeordnet sind, dass sie das Material (30) umhüllen und abstützen, während sie gleichzeitig eine Mehrzahl von Durchflusskanälen für das aus den Heizmitteln (#24) ausströmende Medium festlegen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, ä

dass das Gehäuse als Druckgefäss ausgebildet ist und Behältermittel umfasst, deren Wandteile eine Bndwand und öeitenwände einer Kammer festlegen und dadurch gekennzeichnet, dass die Heizmittel Perforationen aufweisen und Stützmittel (29) zur Halterung der Heizmittel (24·) in einer Ebene der Zone, welche über dem unteren Ende des Rohres (50) liegt, und dass ein weiterer dem untersten Ende des Rohres (50) benachbarter Durchgang den einen Teil der Zone mit dem Raum unter den Heizmitteln (24·) In Verbindung bringt.

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us

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