DE69317991T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Verdichtung eines Gegenstandes - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verdichten eines Gegenstandes gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 7 und mehr im besonderen das isostatische Heißpressen von Gegenständen wie metallischen und intermetallischen Gußstücken, um die innere Porosität zu schließen und die mechanischen Eigenschaften zu verbessern.
• Ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung dieser Art sind bereits aus SU-A-1030095 bekannt, das ein Verfahren zum isostatischem Heißpressen offenbart, worin eine Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt verdampft wird und der Dampf dann genutzt wird, um ein Druckübertragungsmedium zu komprimieren, das auf den Gegenstand einwirkt, der verdichtet oder konsolidiert werden soll.
• Im allgemeinen ist isostatisches Heißpressen (HIP) ein in großem Umfang genutztes Verfahren zur Behandlung von innere Porosität aufweisenden Gegenständen, um die Porosität zu schließen und damit den Gegenstand zu verdichten. Insbesondere wird HIP häufig in der Gießindustrie zur Behandlung von Metallgußstücken herangezogen, um die innere Porosität zu schließen und die metallurgische Struktur und die mechanischen Eigenschaften zu verbessern.
• HIP beinhaltet, daß ein Gußstück oder ein anderer Gegenstand erhöhter Temperatur und erhöhtem Gasdruck, wie Argongasdruck, ausgesetzt wird, für eine geeignete Zeitdauer bei einer Temperatur und einem Druck, um eine von innerer Porosität freie metallurgische Struktur zu erhalten. Die Ausrüstung für die Durchführung des HIP unter Anwendung von hohem Inertgasdruck ist extrem teuer. Weiters ist eine solche HIP-Ausrüstung mit langen Zykluszeiten verbunden, um den Druck und die Temperatur auf die erforderlichen hohen Niveaus zu bringen und sie nach Beendigung der Konsolidierung des Gegenstandes zu senken. Folglich trägt HIP beträchtlich zu den Kosten eines Gußstücks bei, wenn es auch in beträchtlichem Umfang angewendet wird.
• Ein alternatives Verfahren, das versucht, die Bedingungen des HIP zu emulieren, wurde entwickelt und als CERACON-Verfahren angeboten, um metallische, intermetallische und keramische Produkte heiß zu pressen. Dieses Verfahren beinhaltet, daß ein vorerwärmter Gegenstand in einen Körper mit einem Hohlraum gebracht wird, der Hohlraum des Körpers mit vorerwärmten keramischen Körnern oder Teilchen gefüllt wird und ein hydraulisch angetriebener Stempel in den Hohlraum dringt, um die Teilchen um den Gegenstand zu pressen. In diesem Verfahren bringen die Teilchen nur einen pseudo-isostatischen Druck auf den zu verdichtenden Gegenstand auf. Weiter kann dieses Verfahren nicht herangezogen werden, um sehr reaktive Materialien zu behandeln, wie reaktive Metalle (z.B. Ti und seine Legierungen) und intermetallische Materialien (z.B. TiAl), ohne daß man den Gegenstand in einen Schutzbehälter bringt oder das Pressen im Vakuum oder unter Inertgas durchführt.
• Es besteht Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Verdichten von Gegenständen bei erhöhter Temperatur und rein isostatischen erhöhten Druckbedingungen, aber dennoch bei niedrigeren Kosten als in dem bisher angewendeten HIP- Verfahren, das auf Inertgasdruck beruhte.
• Es ist ein Ziel dieser Erfindung, diesen Bedarf zu decken. Dieses erfindungsgemäße Ziel wird mit Hilfe des Verfahrens und der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bzw. 7 erreicht.
• Die gegenständliche Erfindung beinhaltet also ein Verfahren zum Verdichten eines Gegenstandes, wie beispielsweise eines metallischen oder intermetallischen Gußstücks, worin der Gegenstand in einem ersten flüssigen Druckübertragungsmedium, wie vorzugsweise einem geschmolzenen Salz, in einem Behälter angeordnet wird. Das erste Medium wird auf eine erste erhöhte Temperatur für das Verdichten des Gegenstandes erwärmt. Der Behälter wird in einem zweiten flüssigen Druckübertragungsmedium, wie einem geschmolzenen Salz, angeordnet, bei einer zweiten Temperatur, die vorzugsweise niedriger ist als die erste Temperatur. Das erste Medium und das zweite Medium sind so in Verbindung gebracht, daß der auf das zweite Medium aufgebrachte Druck auf das erste Medium übertragen wird. Auf das zweite Medium wird ausreichend Druck aufgebracht, um den in dem ersten Medium mit höherer Temperatur angebrachten Gegenstand zu verdichten. Nach dem Verdichten des Gegenstandes wird der Behälter aus dem zweiten Medium entfernt.
• In einer Ausführungsform der Erfindung hat das zweite Medium eine niedrigere Temperatur und befindet sich in einem zweiten Behälter, und es wird Druck auf das zweite Medium mittels eines Kolbens aufgebracht, der in den zweiten Behälter bewegt wird, um mit dem zweiten Medium in Kontakt zu kommen. Der auf das zweite Medium aufgebrachte Druck wird auf das erste Medium mit der höheren Temperatur übertragen, um isostatisch auf den Gegenstand in dem ersten Medium aufgebracht zu werden.
• Die gegenständliche Erfindung beinhaltet auch eine Vorrichtung zum Verdichten eines Gegenstandes, wobei diese Vorrichtung einen ersten Behälter für ein erstes flüssiges Druckübertragungsmedium, wie ein geschmolzenes Salz, worin der Gegenstand für das Verdichten bei einer ersten erhöhten Temperatur angeordnet wird, umfaßt. Der erste Behälter wird in einem zweiten Behälter angeordnet, der ein zweites Druckübertragungsmedium, wie ein geschmolzenes Salz, enthält, das vorzugsweise eine niedrigere Temperatur hat, wobei das erste Medium und das zweite Medium in Verbindung gebracht werden und auf das zweite Medium aufgebrachter Druck auf das erste Medium übertragen wird. Es sind Einrichtungen vorgesehen, um ausreichenden Druck auf das zweite Medium in dem zweiten Behälter aufzubringen, um den in dem ersten Medium mit der höheren Temperatur im ersten Behälter befindlichen Gegenstand zu verdichten.
• In einer Ausführungsform der Erfindung sind das erste und das zweite Medium über eine Öffnung in dem ersten Behälter in Verbindung.
• In einer anderen Ausführungsform weist die Einrichtung zum Aufbringen des Drucks auf das zweite Medium einen Kolben auf, der auf das zweite Medium in dem zweiten Behälter einwirkt.
• Bei der Durchführung der gegenständlichen Erfindung ist der Druck, der auf den Gegenstand in dem ersten Medium aufgebracht wird, isostatischer Natur, so daß ein gleichförmiger Druck aus allen Richtungen auf den Gegenstand aufgebracht wird. Die Verwendung des flüssigen Druckübertragungsmediums auf die beschriebene Art und Weise bietet ein isostatisches Heißpreßverfahren mit relativ niedrigen Kosten und kurzer Zykluszeit für das Verdichten von fabrikmäßig hergestellten Gegenständen, wie metallischen und intermetallischen Gußstücken. Weiter wird der Gegenstand in dem ersten Medium verdichtet oder konsolidiert, welches so gewählt werden kann, daß man Oxidation des Gegenstandes vermeidet.
• Für Gußstücke, die niedrige Preßtemperaturen (z.B. 538ºC (1000ºF) für Al-Gußstücke) erfordern, kann das gleiche geschmolzene Salz für das genannte erste und zweite Druckübertragungsmedium verwendet werden.
• Andere Ziele und Vorteile der gegenständlichen Erfindung werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung und der Zeichnungen offensichtlich.
• Fig. 1 ist eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zur Durchführung einer Verfahrensausführungsform der Erfindung. Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung der Halte- bzw. Befestigungsvorrichtung zum Halten der zu verdichtenden Gußstücke. Fig. 3 ist eine Ansicht einer Gußstückbefestigungsvorrichtung entlang der Linie 3-3 der Fig. 2. Die Fig. 4A, 4B und 4C sind Schnittdarstellungen der Vorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zur Durchführung einer Verfahrensausführungsform der Erfindung.
• Die Fig. 1 illustriert die Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zum Verdichten oder Konsolidieren mehrerer Gegenstände, die als gegossene Ventile 10 für Verbrennungsmotoren gemäß einer Verfahrensausführungsform der Erfindung dargestellt sind. Die Ventile 10 können durch Investment-Guß erhaltene 50 Atom-% Ti/50 Atom-% Al Auslaßventile eines Verbrennungsmotors sein. Die intermetallischen Ventile weisen einen Ventilschaft 10a und einen Ventilkopf 10b in der üblichen Art auf, Fig. 2. Die Erfindung ist jedoch nicht auf das Verdichten von Motorventilen eingeschränkt und kann herangezogen werden, um jedweden Gegenstand zu verdichten. Weiters ist die Erfindung nicht auf das Verdichten intermetallischer Gegenstände eingeschränkt und kann durchgeführt werden, um metallische, intermetallische, keramische und andere Materialien zu verdichten. Das Verdichten der intermetallischen Verbrennungsmotorventile 10 aus TiAl wird nur zum Zwecke der Illustration angeführt und nicht als Einschränkung.
• Es wird die Vorrichtung gezeigt, die einen ersten, inneren keramischen Behälter 20 aufweist, der eine zylindrische Kammer 20a für das Halten eines ersten flüssigen Druckübertragungsmediums 22 aufweist, in welchem die Ventile 10 zum Verdichten angeordnet werden. Das erste Druckübertragungsmedium 22 umfaßt ein geschmolzenes Salz, dessen Zusammensetzung aus Salzen mit hohem Schmelzpunkt ausgewählt wird, um einen stabilen Schmelzpunkt oberhalb einer ersten erhöhten Temperatur für das Verdichten der Ventile 10 unter Druck vorzusehen. Beispielsweise umfaßt beim Verdichten der genannten TiAl-Ventile 10 das bei hoher Temperatur geschmolzene Salz 100% BaCl&sub2;, um einen stabilen Salzschmelzpunkt bis etwa 1371ºC (2500ºF) vorzusehen, so daß die Ventile 10 bei einer Verdichtungstemperatur von etwa 1260ºC (2300ºF) verdichtet werden können, d.h. die Ventile 10 und das Medium 22 auf 1260ºC (2300ºF) sind.
• Die Ventile 10 können auf einer geeigneten Befestigungsvorrichtung wie der Befestigungsvorrichtung 30 angeordnet werden, die untere keramische (z.B. Aluminiumoxid) Halteelemente 32, 33 aufweist, die zehn Ventile 10 aufnehmen. Insbesondere werden auf dem unteren Element 32 sechs Ventile 10 um ein mittleres Ventil 10 herum im gegenseitigen Abstand um den Umfang verteilt angeordnet. Drei Ventile 10 werden auf dem Element 33 angeordnet. Das Element 33 weist geeignete Ausnehmungen 33a auf, um die Ventilköpfe 10b aufzunehmen, und vertikale Öffnungen 33b, durch welche sich die Ventilschäfte 10a nach oben erstrecken, wie in den Fig. 2-3 gezeigt.
• Die Befestigungsvorrichtung 30 schließt auch obere keramische (z.B. Aluminiumoxid) Halteelemente 34, 35 ein, die auch zehn Ventile 10 aufnehmen. Sechs Ventile sind auf dem oberen Element 34 um ein mittleres Ventil 10 herum im gegenseitigen Abstand um den Umfang verteilt angeordnet. Drei Ventile 10 sind auf dem unteren Element 35 angeordnet. Die Elemente 34, 35 weisen geeignete Ausnehmungen 34a, 35a auf, um die Ventilköpfe 10b aufzunehmen, und vertikale Öffnungen 34b, 35b, durch welche sich die Ventuschäfte 10a nach unten erstrecken, wie in den Fig. 2-3 gezeigt.
• Die Ventile 10 auf den oberen Halteelementen 34, 35 sind in gleicher Anordnung angeordnet wie die Ventile auf den unteren Elementen 32, 33, aber winkelmäßig versetzt, so daß die oberen Ventile zwischen den unteren Ventilen Platz finden. Die oberen Halteelemente 34, 35 werden über den unteren Halteelementen 32, 33 durch drei (zwei gezeigt) unter einem gegenseitigen Abstand von 120º angeordnete aufrechte Stützpfeiler 36 gehalten. Die oben beschriebenen Befestigungskomponenten und die Ventile 10 werden durch die Schwerkraft ohne Befestigungsmittel und dergleichen zusammengehalten.
• Wie in Fig. 1 gezeigt, können mehrere (zwei gezeigt) Befestigungseinrichtungen 30 übereinander in der Kammer 20a des ersten Behälters 20 angeordnet werden. Wie illustriert wird, können insgesamt vierzig Ventile 10 in der Vorrichtung der Fig. 1 unter Verwendung von zwei Befestigungsvorrichtungen 30, von denen jede zwanzig Ventile 10 hält, angeordnet werden.
• Die Vorrichtung weist einen zweiten Metallbehälter 40 auf, der ein zweites Druckübertragungsmedium 42 enthält, das eine zweite Temperatur hat, die niedriger als die erste Temperatur ist, d.h. niedriger als die Temperatur des geschmolzenen Salzes 22 in dem ersten Behälter 20. Das zweite Medium umfaßt ein geschmolzenes Salz, dessen Zusammensetzung aus Salzen mit niedrigem und mit hohem Schmelzpunkt ausgewählt wird, um die gewünschte niedrigere Temperatur vorzusehen.
• Zum Verdichten der genannten TiAl-Ventile 10 enthält das geschmolzene Salz eine Mischung von BaCl&sub2;, CaCl&sub2; und NaCl in Verhältnissen (z.B. 35 Gew.-% BaCl&sub2;, 45 Gew.-% CaCl&sub2; und 20 Gew.-% NaCl) zum Vorsehen eines stabilen Salzschmelzpunktes bis etwa 454ºC (850ºF), so daß die Ventile 10 verdichtet werden können, wenn das Medium 44 auf einer Mindesttemperatur von 538ºC (1000ºF) ist.
• Wie man am besten anhand der Fig. 1 sehen kann, weist der erste Behälter 20 eine obere Abschlußplatte 48 für die Verbindung des ersten Mediums (erstes geschmolzenes Salz) 22 mit dem zweiten Medium (zweites geschmolzenes Salz) 42 auf, so daß auf das zweite Medium 42 aufgebrachter Druck auf das erste Medium übertragen wird. Diese Verbindung kann durch ein Loch oder eine Öffnung, wie die Öffnung 46, bewirkt werden, die von begrenzter Größe ist (z.B. 1,24 cm (1/2 Inch) Durchmesser), um übermäßiges Vermischen des geschmolzenen Salzes mit hoher Temperatur im Behälter 20 und des geschmolzenen Salzes mit niedrigerer Temperatur im Behälter 40 während des Preßvorgangs zu vermeiden. Die obere Abschlußplatte 48 kann auch poröses keramisches Fasermaterial sein, das ermöglicht, daß Fluiddruck hindurch übertragen wird. Die obere Abschlußplatte 48 wird durch Schwerkraft auf dem Behälter 20 gehalten.
• Der zweite Behälter 40 wird als Metallhohlkörper gezeigt, der einen zylindrischen Hohlraum 50 aufweist, in dem der erste Behälter 20 angeordnet wird. Der Hohlkörper 40 weist ein offenes oberes Ende 40a auf, das einen Kolben oder Stempel 52 einer hydraulischen oder ähnlichen Presse aufnimmt, z.B. den Kolben einer herkömmlichen 454 t (500 ton) hydraulischen Presse. Ein peripheres Dichtungselement 60 (aus Kobaltlegierung 3) ist um den Kolben 52 herum zwischen dem Kolben und dem Hohlkörper angeordnet, und es ist typischerweise in der Lage, während des noch zu beschreibenden Preßvorgangs 17,6 kN/cm² (25000 psi) zu widerstehen. Der Behälter oder Hohlkörper 40 ist auf dem Bett (nicht gezeigt) der hydraulischen Presse abgestützt, oder er kann auf einem geeigneten Stützrahmen befestigt sein.
• Der Kolben 52 umfaßt Einrichtungen zum Aufbringen von Druck auf das zweite Medium 42, der dann auf das erste Medium 22 in dem ersten Behälter 20 über die Öffnung 46 übertragen wird. Der durch den Kolben 52 aufgebrachte Druck wird so gewählt, daß er bei der entsprechenden Preßtemperatur ausreichend ist, um die in dem ersten Medium 22 in dem ersten Behälter 20 angeordneten Ventile 10 zu verdichten. Der Kolben 52 weist auch einen Entlüftungsdurchgang 54 zur Umgebung hin auf, so daß Luft aus dem Inneren des Hohlkörpers 50 entweichen kann, wenn der Kolben 52 anfangs in den Hohlraum des Körpers eingeführt wird. Nachdem die Luft entwichen ist, wird der Entlüftungsdurchgang 54 durch ein Luft-Entlüftungsventil 56 (schematisch gezeigt) am Kolben 52 geschlossen.
• In der Vorrichtung der Fig. 1, die das Verdichten von 40 gegossenen TiAl-Ventilen 10 auf den Befestigungsvorrichtungen 30 illustriert, besteht der Behälter oder Hohlkörper 40 aus einer geeigneten Superlegierung auf Nickelbasis, wie IN 718, und hat einen Außendurchmeser von 48,3 cm (19 Inch) und eine Höhe von 86,4 cm (34 Inch). Der Hohlkörper 40 wird während des Preßvorgangs einer maximalen Umfangsspannung von etwa 300 k/Ncm² (66000 psi) ausgesetzt. Der Hohlraum 50 hat einen Innendurchmesser von 17,8 cm (7 Inch) und eine Höhe von 61 cm (24 Inch). Der keramische Behälter 20 besteht aus Aluminiumoxid und hat einen Außendurchmesser von 12,7 cm (5 Inch) und eine Höhe von 45,7 cm (18 Inch). Die Kammer 20a hat einen Innendurchmesser von 10,2 cm (4 Inch) und eine Höhe von 44,45 cm (17,5 Inch). Der Behälter 20 ruht auf einem Metallsockel (z.B. IN 718) 58 am Boden des Hohlraums 50. Der Kolben 52 besteht aus rostfreiem Stahl Typ 440 und hat einen Außendurchmesser von etwa 17,75 cm (6,99 Inch).
• Bei der Durchführung einer Verfahrensausführungsform der Erfindung zum Verdichten der gegossenen TiAl-Ventile 10 werden die Ventile 10 zuerst in die Befestigungsvorrichtungen 30 gebracht, wie das in den Fig. 2-3 gezeigt wird. Die Befestigungsvorrichtungen 30 werden in den keramischen Behälter 20 gebracht. Geschmolzenes BaCl&sub2;-Salz wird in den Behälter 20 um die Befestigungsvorrichtungen herum eingeführt. Die obere Platte 48 wird dann auf den Behälter gebracht. Der Behälter wird dann in eine geeignete Heizvorrichtung (nicht gezeigt) gebracht, wie einen Salzschmelzenbadheizer, und auf die gewünschte Temperatur des isostatischen Preßvorgangs erhitzt. Eine Salzschmelzen-Preßtemperatur von 1260ºC (2300ºF) wird in einer Ausführungsform der Erfindung zum isostatischen Pressen der gegossenen TiAl-Ventile 10, die oben beschrieben werden, verwendet. Natürlich werden andere Temperaturen beim isostatischen Preßvorgang verwendet, wenn die Ventile 10 aus anderen Materialien bestehen. Preßtemperaturen im Bereich von 316 bis 1371ºC (600 bis 2500ºF) können je nach dem zu pressenden Material verwendet werden.
• Der beheizte Behälter 20, der das geschmolzene Salzmedium 22 und die Ventile 10 auf den Befestigungsvorrichtungen 30 beherbergt, wird dann in das geschmolzene Salzmedium 22 in dem Hohlraum 50 des Hohlkörpers gebracht, der (durch eine bandförmige elektrische Widerstandserhitzungsvorrichtung 41, die schematisch gezeigt wird) vorerwärmt wurde, um ein geschmolzenes Salzmedium 42 mit geeigneter Temperatur vorzusehen. Zum Verdichten der gegossenen TiAl-Ventile 10 in dem geschmolzenen Salzmedium 22 bei 1260ºC (2300ºF) wird das geschmolzene Salzmedium 42 in dem Hohlkörper 50 auf mindestens 538ºC (1000ºF) vorerwärmt.
• Insbesondere wird in dem Hohlkörper 50 eine Mischung von BaCl&sub2; (35 Gew.-%), CaCl&sub2; (45 Gew.-%) und NaCl (20 Gew.-%) gehalten und durch eine elektrische Widerstands- oder Induktionsheizvorrichtung 41 auf mindestens 538ºC (1000ºF) erhitzt. Diese Mindesttemperatur von 538ºC (1000ºF) wird angewendet, um das Abkühlen der Ventile 10 zu vermindern.
• Nachdem der erwärmte Behälter 20 in den Hohlkörper 40 gebracht wurde, wird der Kolben 52 sofort abgesenkt bzw. in den Hohlraum 50 vorgeschoben, um ein Abfallen der Temperatur der Ventile in dem Behälter 20, ehe sie der erhöhten Temperatur beim isostatischen Preßvorgang ausgesetzt werden, zu minimieren. Der Kolben 52 wird anfangs bei geöffnetem Entlüftungsdurchgang 54 in den Hohlraum 50 geschoben, so daß Luft aus dem Hohlraum entweichen kann. Dann wird das Entlüftungsventil 56 geschlossen, und der Kolben 52 wird weiter mit dem geschmolzenen Salzmedium 42 in Kontakt gebracht, um den gewünschten isostatischen Preßdruck aufzubringen. Das geschmolzene Salzmedium 42 mit der niedrigeren Temperatur überträgt den aufgebrachten Druck über die Öffnung 46 (oder eine andere Druckübertragungseinrichtung dazwischen) auf das geschmolzene Salzmedium 22 mit der höheren Temperatur in dem Behälter 20 und somit auf die Ventile 10 in den Befestigungsvorrichtungen 30. Ein typischer isostatischer Preßdruck für die gegossenen TiAl-Ventile 10 bei 1260ºC (2300ºF) beträgt etwa 17,6 kN/cm² (25000 psi) Dieser Druck ist ausreichend, um innere Porosität in der gegossenen Mikrostruktur der Ventile zu schließen. Der isostatische Druck wird nur ungefähr 1 Minute auf die Ventile 10 aufgebracht. Natürlich können für Ventile 10 (oder andere Gegenstände), die aus anderen Materialien bestehen, die Temperatur und der Druck beim isostatischen Preßvorgang und die Zeit bei Temperatur/Druck anders sein und so gewählt werden, daß die gewünschte Verdichtung oder Konsolidierung des Ventils (oder anderen Gegenstandes) erreicht wird.
• Nachdem die Ventile 10 isostatisch gepreßt wurden (z.B. nach 1 Minute ab dem Aufbringen des isostatischen Preßdrucks), wird der Kolben 52 gehoben, und der Behälter 20 wird aus dem Hohlraum 50 entfernt. Die isostatisch heißgepreßten Ventile 10 werden zum Abkühlen auf Umgebungstemperatur aus dem Behälter in eine Inertgasatmosphäre gebracht, oder man läßt sie in dem Behälter 20 auf Umgebungstemperatur abkühlen und entfernt sie dann aus dem Behälter 20.
• Die metallographische Analyse der gegossenen TiAl-Ventile 10, die auf die beschriebene Art und Weise isostatisch heißgepreßt wurden, zeigte, daß die Ventile frei von innerer Porosität waren.
• Die Fig. 4A, 4B und 4C illustrieren die Vorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung ist der oben im Hinblick auf die Fig. 1-3 beschriebenen ähnlich, mit Ausnahme der Einrichtungen zum Aufbringen des Drucks auf das zweite flüssige Druckübertragungsmedium in dem beheizten Hohlkörper. In den Fig. 4A, 4B und 4C haben gleiche Merkmale wie in den Fig. 1-3 die gleichen Bezugszeichen, aber mit Strich versehen.
• Nun unter Bezugnahme auf Fig. 4A: Der erste, innere keramische Behälter 20', in dem sich die Ventile 10' in den Befestigungsvorrichtungen 30' übereinander in dem geschmolzenen Salz mit hoher Temperatur (erstes Druckübertragungsmedium 22') befindet, wird in dem beheizten Hohlkörper 40' angeordnet gezeigt. Der Hohlkörper 40' enthält das geschmolzene Salz mit der niedrigeren Temperatur (zweites Druckübertragungsmedium 42') um den ersten Behälter 20' herum und über die Öffnung 46' in der Abschlußplatte 48' (oder eine andere Öffnungseinrichtung zwischen dem Behälter und dem Hohlkörper) in Verbindung mit dem ersten Medium 22'.
• Der beheizte Hohlkörper 40' wird auf einem unteren, befestigten Rahmen 80' gestützt. Ein oberer, beweglicher Rahmen 82' ist über dem Hohlkörper 40' positionierbar. Der obere Rahmen 82' ist durch ein Hebezeug bzw. eine obere Preßplatte (nicht gezeigt) bewegbar. Der obere Rahmen 82' weist ein peripheres Element 82a' und ein Querelement 82b' mit einer vorstehenden Nase 82c' und einer Mittelöffnung 82d', die oberhalb der Kammer 50' des Hohlkörpers 40' angezeigt ist, auf. Die Öffnung 82d' nimmt eine Kolbenstange 90' eines hydraulischen Zylinders 92' auf, der auf dem Rahmen befestigt ist.
• Bevor der Rahmen 82' über dem Hohlkörper 40' angeordnet wird, wird eine geeignete Materialschicht 100', wie ein 1010 kohlenstoffarmer Stahl mit 1,6 mm (1/16 Inch) Dicke, so auf den Hohlkörper 40' gebracht, daß sie über der oberen Hohlkörperöffnung 40a' und der Oberfläche des zweiten Mediums 42' liegt, wie in Fig. 4A gezeigt. Die Materialschicht 100' weist einen peripheren Abschnitt 100a' und einen mittleren Abschnitt 100b' auf, der in der Hohlkörperöffnung 40a' aufgenommen wird. Es wird eine Materialschicht 100' von 10 Inch Durchmesser für einen Hohlraum 50' von 17,8 cm (7 Inch) Durchmesser verwendet.
• Der obere Rahmen 82' wird dann gegen den Hohlkörper 40' abgesenkt, bis das Querelement 82b' mit dem oberen Ende des beheizten Hohlkörpers 40' in Kontakt kommt, Fig. 4B. Diese Bewegung drängt Luft zwischen der Materialschicht 100' und der Kammer 50' heraus. Die Materialschicht 100' wird an ihrem äußeren Umfang 100a' von dem Querelement 82b' festgehalten, während die Nase 82c' mit dem mittleren Abschnitt der Materialschicht 100b' in Kontakt kommt, Fig. 4B. Die Rahmen 80', 82' werden dann verschraubt oder anders zusammengehalten.
• Nachdem das Querelement 82b' mit dem Hohlkörper 40' in Kontakt gekommen ist, wird der Zylinder 92' betätigt, um die Zylinderkolbenstange 90' relativ zum Querelement 82b' zu bewegen, um den mittleren Abschnitt 100b' der Materialschicht 100' in das zweite Medium 42' zu stoßen, um den gewünschten Preßdruck auf das erste Medium 22' in dem Behälter 20' über das zweite Medium 42' aufzubringen, Fig. 4C. Der mittlere Abschnitt der Materialschicht 100b' wird während des Preßvorgangs plastisch verformt.
• Nach dem isostatischen Pressen wird der Zylinder 92' betätigt, um die Kolbenstange 90' zu heben. Der obere Rahmen 82' wird dann vom Rahmen 80' gelöst und gehoben, damit die Materialschicht 100' entfernt und verworfen werden kann. Die Befestigungsvorrichtungen 30' werden dann aus dem Hohlkörper 40' entfernt, um Zugang zu den darauf befindlichen HIP-behandelten Ventilen 10' zu schaffen.
• Diese Vorrichtungsausführungsform ist insofern vorteilhaft gegenüber der in den Fig. 1-3 gezeigten Vorrichtung, als ein kleiner hydraulischer Zylinder 92' (z.B. 131 kN (29000 lb.) Kraft) verwendet werden kann, um den Preßdruck mit Hilfe seiner Zylinderkolbenstange 90' mit kleinem Durchmesser (z.B. 3,18 cm (1 1/4 Inch)) und der großflächigen Materialschicht 100' (z.B. 25,4 cm (10 Inch) Durchmesser der Materialschicht für 17,8 cm (7 Inch) Durchmesser des Hohlraums des Körpers), die mit der Kolbenstange 90' in Kontakt kommt. Der für die Erzeugung des Preßdrucks erforderliche Hubweg der Kolbenstange 90' ist aufgrund dieser Anordnung relativ klein.
• Die gegenständliche Erfindung ist insofern vorteilhaft, als rein isostatischer Druck auf die Gegenstände (z.B. Ventile 10) über die geschmolzenen Salzmedien 22 (22'), 42 (421) aufgebracht wird, ohne daß eine teure Gasdruckausrüstung nötig ist. Die Verwendung der flüssigen Druckübertragungsmedien auf die beschriebene Art und Weise, sieht ein relativ billiges isostatisches Heißpreßverfahren mit kurzer Zykluszeit zum Verdichten von fabrikmäßig hergestellten Gegenständen, wie metallischen und intermetallischen Gußstücken, vor. Weiter wird der Gegenstand in dem ersten Medium verdichtet oder konsolidiert, das so gewählt werden kann, daß eine Oxidation des Gegenstandes vermieden wird.
• Bei Gußstücken, wie Al, die niedrige Preßtemperaturen erforderlich machen, z.B. 538ºC (1000ºF) für Al-Gußstücke, kann das gleiche geschmolzene Salz als Druckübertragungsmedien 22 (22'), 42 (42') in den Behältern 20 (20'), 40 (40') verwendet werden. Das heißt, das Medium 42 (42') mit niedriger Temperatur kann in den Behälter 20 (20') anstelle des Mediums 22 (22') mit höherer Temperatur eingeführt werden.
• Obgleich eine speziell bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ausführlich zu Zwecken der Illustration geoffenbart wurde, wird man anerkennen, daß Variationen oder Modifizierungen der geoffenbarten Vorrichtung, einschließlich der Umordnung von Teilen, innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen.

Claims (13)

1. Verfahren zum Verdichten eines Gegenstandes (10), umfassend:

(a) Anordnen eines ersten Druckübertragungsmediums (22), das ein flüssiges Medium ist, um diesen Gegenstand (10) herum in einem Behälter (20);

(b) Anordnen eines zweiten Druckübertragungsmediums (42) um diesen Behälter (20) herum;

(c) Erzeugen eines Drucks in dem zweiten Druckübertragungsmedium (42), der ausreichend ist, den Gegenstand (10) zu verdichten, der in dem ersten Medium (22) angeordnet ist, worin sich der Gegenstand (10) in dem genannten Behälter (20) befindet;

(d) In-Verbindung-Bringen des ersten und zweiten Druckübertragungsmediums (22, 42), so daß der Druck des zweiten Mediums auf das erste Medium übertragen wird;

welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß sowohl das erste als auch das zweite Druckübertragungsmedium (22, 42) ein geschmolzenes Salz ist und daß in dem zweiten Druckübertragungsmedium (42) Druck erzeugt wird, indem ein Druck darauf aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Gegenstand (10) in den Behälter (20) gebracht wird und das auf die erhöhte Temperatur erwärmte erste Medium (22) um den Gegenstand (10) in dem Behälter (20) gegossen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin das zweite Medium (42) in einem beheizten Hohlkörper (40) enthalten ist und der Druck auf das zweite Medium (42) durch mit dem zweiten Medium (42) in Kontakt bewegte Druckaufbringungsmittel (52) aufgebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, worin auf das zweite Medium (42') Druck mittels einer Materialschicht (100') aufgebracht wird, die über dem zweiten Medium liegt und mit einem Druckaufbringungselement (90'), das gegen den Hohlkörper (40') bewegt wird, in Kontakt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, welches das Entfernen des Behälters (20) aus dem zweiten Medium (42), nachdem der Gegenstand (10) verdichtet wurde, beinhaltet.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zum Verdichten eines metallischen oder intermetallischen Gegenstands (10), umfassend:

(a) Anordnen eines ersten geschmolzenen Salzes als erstes Druckübertragungsmedium (22) um den Gegenstand (10) herum in dem Behälter (20), wobei sich das erste Medium (22) auf einer ersten erhöhten Temperatur befindet, zum Verdichten des Gegenstands (10) unter Druck,

(b) Anordnen eines zweiten geschmolzenen Salzes als zweites Druckübertragungsmedium (42) bei einer zweiten Temperatur, die niedriger als die erste Temperatur ist, um diesen Behälter (20) herum, so daß das erste Medium (22) und das zweite Medium (42) in Verbindung gebracht werden, so daß auf das zweite Medium (42) aufgebrachter Druck auf das erste Medium (22) übertragen wird, und

(c) Aufbringen eines ausreichenden Drucks auf das zweite Medium (42), um den in dem ersten Medium (22) angeordneten Gegenstand (10) zu verdichten.

7. Vorrichtung zum Verdichten eines Gegenstands (10), umfassend:

(a) einen ersten Behälter (20) für ein flüssiges Druckübertragungsmedium (22), in dem der Gegenstand (10) für das Verdichten angeordnet wird, wobei sich das erste Medium (22) auf einer ersten erhöhten Temperatur befindet, zum Verdichten des Gegenstands (10) unter Druck,

(b) einen zweiten Behälter (40) für ein zweites Druckübertragungsmedium (42), wobei der erste Behälter (20) in dem zweiten Behälter (40) angeordnet ist,

(c) Verbindungsmittel (42), durch die die genannten Medien (22, 42) in Verbindung gebracht sind, so daß auf das Medium (42) in dem zweiten Behälter (40) aufgebrachter Druck auf das erste Medium (22) in dem ersten Behälter (20) übertragen wird, und

(d) Mittel (52) zum Erzeugen eines ausreichenden Drucks in dem zweiten Medium (42) in dem zweiten Behälter (40), um den in dem ersten Medium (22) in dem ersten Behälter (20) angeordneten Gegenstand (10) zu verdichten,

welche Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß sowohl das erste als auch das zweite Druckübertragungsmedium (22, 42) ein geschmolzenes Salz ist und daß in dem zweiten Druckübertragungsmedium (42) Druck erzeugt wird, indem ein Druck darauf aufgebracht wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, worin das als zweites Druckübertragungsmedium (42) verwendete geschmolzene Salz eine zweite Temperatur aufweist, die niedriger als die erste Temperatur ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, worin das Verbindungsmittel (46) aus Öffnungsmitteln zwischen dem ersten Behälter (20) und dem zweiten Behälter (40) besteht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, worin das Mittel zum Aufbringen des Drucks ein Druckaufbringungsmittel (52, 90') für den Kontakt mit dem zweiten Medium (42, 42') in dem zweiten Behälter (40, 40') umfaßt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, worin das Mittel zum Aufbringen des Drucks eine über dem zweiten Medium (22') liegende Materialschicht (100') und ein Druckaufbringungselement (90') umfaßt, das gegen den zweiten Behälter (40') bewegbar ist, um die Schicht (100') mit dem zweiten Medium (42') in Kontakt zu bringen, um den Druck darauf aufzubringen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, worin die genannte Schicht aus einem Stahlblech (100') und das genannte Druckaufbringungselement aus einer Kolbenstange (90') eines hydraulischen Zylinders (92') besteht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, worin der erste Behälter (20) eine Haltevorrichtung (30) aufweist, an der der Gegenstand (10) angebracht ist.