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Verfahren zur Herstellung ultrafeiner Metall-bzw. Legierungspulver und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
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als Flüssigkeit gegenüber den Metall-bzw. Legierungsteilchen inerte verflüssigte Gase verwendet wer- den und durch die Dispersion Stromimpulse geleitet werden. Durch Verwendung eines gegenüber den
Metall- bzw. Legierungsteilchen inerten verflüssigten Gases wird einerseits verhindert, dass die von den gröberen Metall-bzw. Legierungsteilchen abgesprengten ultrafeinen Metall- bzw. Legierungsteilchen mit der Flüssigkeit, beispielsweise unter Oxyd-oder Carbidbildung, reagieren und anderseits das Ab- trennen des entstandenen ultrafeinen Metall- bzw. Legierungspulvers von der verwendeten Flüssigkeit erleichtert, da zu diesem Zwecke das verflüssigte Gas lediglich abdampfen gelassen werden muss.
Da weiters durch die Dispersion Stromimpulse geleitet werden, wird während der Impulspausen ein allenfalls entstandener Lichtbogen gelöscht, wobei die im Wege des Lichtbogens befindlichen Metalldämpfe kondensiert werden, und die bei Einsetzen des anschliessenden Stromimpulses auftretende Funkenentladung muss mit grösster Wahrscheinlichkeit einen andern, einen kälteren, Entladungsweg finden, entlang desselben der ohmsche Widerstand von Elektrode zu Elektrode geringer ist. In Anbetracht der Verwendung von Stromimpulsen ist es somit nicht mehr möglich, dass einmal entstandene ultrafeine Metall- bzw. Legierungsteilchen unter dem Einfluss einer stetigen Lichtbogenentladung wieder zu grö- sseren Teilchen verschweisst werden. Beim Arbeiten nach dem erfindungsgemässen Verfahren ist es somit im Endeffekt möglich reine ultrafeine Metall- bzw.
Legierungspulver einheitlicher Korngrösse zu erhalten. Da wegen der Verwendung von Stromimpulsen einmal entstandene ultrafeine Metall- bzw.
Legierungsteilchen kaum mehr miteinander verschweisst werden können, wird im Rahmen des erfindungsgemässen Verfahrens die aufgewendete elektrische Energie mit wesentlichem höheren Wirkungsgrad ausgenutzt als bei bekannten Verfahren zur Herstellung ultrafeiner Metall-bzw. Legierungspulver.
Als verflüssigtes Gas können gemäss der Erfindung mit Vorteil flüssiger Stickstoff oder flüssiges Argon verwendet werden. Es ist im Rahmen des erfindungsgemässen Verfahrens auch möglich als verflüssigtes Gas verflüssigtes Ammoniak zu verwenden, da, wie gefunden wurde, bei Zersetzung des Ammoniaks während der Funkenentladung in Stickstoff und Wasserstoff das eingesetzte Metall bzw. die eingesetzte Legierung nicht nitriert wird, Ammoniak für die Zwecke der Erfindung also als inertes Gas zu betrachten ist.
Es ist durchaus möglich im Rahmen des erfindungsgemässen Verfahrens Gleichstromimpulse zu verwenden. Es ist jedoch zweckmässig mit Wechselstromimpulsen zu arbeiten, da damit einerseits ein Materialtransport von einer Elektrode zur andern Elektrode verhindert werden kann und anderseits während der Nulldurchgänge des Wechselstromes ein ähnlicher Effekt auftritt wie während der Impulspausen.
Zweckmässig werden gemäss der Erfindung Stromimpulse von etwa 20 bis 100 kHz bei einer Betriebsspannung von etwa 3000 bis 100 000 V erzeugt.
Ultrafeine Metall- bzw. Legierungsteilchen können dann dem Einfluss der Funkenentladung rasch entzogen werden, wenn gemäss der Erfindung das verflüssigte Gas im Kreislauf geführt und hiebei in Richtung von unten nach oben durch die Entladungsstrecke gefördert wird. Damit wird weiters zu einer Einengung des Korngrössenbereiches des hergestellten Metall- bzw. Legierungspulvers beigetragen.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist gemäss der Erfindung zweckmässig so ausgebildet, dass sie einen aus einer inneren Entladungskammer und einer äusseren Kammer bestehenden Reaktionsbehälter aufweist, wobei in der Entladungskammer ein Elektrodenpaar derart angeordnet ist, dass bei mit einem verflüssigten Gas und Metall- oder Legierungsgranulat gefüllter Entladungskammer die Elektroden zumindest teilweise in das verflüssigte Gas eintauchen. Wenn in einer so ausgebildeten Vorrichtung das verflüssigte inerte Gas zwischen der innen gelegenen Entladungskammer und der äusseren Kammer umgewälzt wird, kann das entstandene ultrafeine Metall- bzw. Legierungspulver ohne Schwierigkeiten in die äussere Kammer gefördert und dort vom verflüssigten Gas abgetrennt werden, das in die Entladungskammer zurückgefördert wird.
Das Abtrennen des ultrafeinen Metall- bzw.
Legierungspulvers vom verflüssigten inerten Gas im Bereiche der äusseren Kammer kann dann wesentlich erleichtert werden, wenn gemäss der Erfindung der Boden der äusseren Kammer geneigt angeordnet ist. Die Zusammensetzung des hergestellten ultrafeinen Metall- bzw. Legierungspulvers entspricht dann genau den Erwartungen, wenn gemäss der Erfindung die Elektroden aus dem gleichen Material bestehen wie das zu verarbeitende Metall-oder Legierungsgranulat.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird im folgenden näher erläutert, wobei auf in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsformen einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens Bezug genommen wird.
In den Zeichnungen zeigen Fig. l schematisch im Schnitt eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, Fig. 2 ebenfalls schematisch und im Schnitt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung und Fig. 3 ein Schalt-
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schema eines im Rahmen des erfindungsgemässen Verfahrens verwendbaren Funkengenerators.
Gemäss Fig. 1 besteht der Reaktionsbehälter --1-- aus einem Aussenbehälter --2-- und einer inner- halb dieses Aussenbehälters --2-- angeordneten Entladungskammer --3--, welche die Form eines auf- recht stehenden Hohlzylinders besitzt. Die Entladungskammer --3-- ist an ihrem oberen und ihrem unteren Ende offen, wobei das untere Ende verjüngt ist und an dieses untere Ende ein Rohrkrümmer - angeschlossen ist. Innerhalb der Entladungskammer --3-- sind zwei Elektroden --5 und 6-- an- geordnet, welche aus dem gleichen Metall bestehen können wie das zu Metallpulver zu verarbeitende
Metall. In das untere Ende der Entladungskammer --3-- ist eine eine Vielzahl kleiner Öffnungen auf- weisende Bodenplatte --7-- eingesetzt.
An die oberen Enden der Elektroden --5 und 6-- ist mittels der Leitungen --8 und 8'-- ein Fun- kengenerator --9-- angeschlossen, welcher im folgenden gelegentlich als Stromimpulsquelle bezeich- net wird. Die Stromimpulsquelle-9-- ist so bemessen, dass sie bei einer Quellenspannung von bei-
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000i Rohr-10-, welches die Entladungskammer --3-- mit dem Aussenbehälter --2-- verbindet, da dieses
Rohr --10-- unter Zwischenschaltung einer Pumpe --11-- mit dem an die Entladungskammer --3-- angeschlossenen Rohrkrümmer --4-- in Verbindung steht. Mit --12-- ist eine Entleerungsöffnung im
Boden des Aussenbehälters --2-- bezeichnet, über welche das erhaltene ultrafeine Pulver aus der Vor- richtung entleert werden kann.
Beim Betrieb der Vorrichtung wird die Entladungskammer --3-- mit eine Korngrösse von etwa 2 bis 5 mm aufweisenden Rohmaterialtabletten --A-- aus einem elektrischlei- tenden Metall oder einer elektrisch leitenden Legierung und der AUssenbehälter--2-- mit einem inerten verflüssigten Gas --B-- gefüllt, wie in Fig. 1 gezeigt ist.
Als inertes verflüssigtes Gas kann beispielsweise flüssiger Stickstoff oder flüssiges Argon oder Am- moniak verwendet werden. Wenn die Pumpe --11-- in Gang gesetzt wird, wird das verflüssigte Gas --B-- über den Rohrkrümmer --4-- durch die in der Bodenplatte --7-- vorgesehenen Öffnungen in die Entladungskammer --3-- gefördert.
Durch den nach oben fliessenden Flüssigkeitsstrom werden die Rohmaterialkörner dauernd in Bewe- gung gehalten. Wenn in diesem Zustand turbulenter Bewegung den Elektroden --5 und 6-- Stromimpul- se von beispielsweise 60 kHz zugeführt werden, so werden zwischen den Materialkörnern Funkenentla- dungen erzeugt, wobei die Körner kräftig bewegt werden und im verflüssigten Gas reichlich Dampfbla- sen entstehen. Bei Ausdehnung der Dampfblasen, welche nach oben steigen, werden die Körner zusätz- lich gerührt, so dass die Funkenentladungen stärker ablaufen. In der Folge werden von den Rohmetall- körnern feinere pulverförmige Teilchen abgetragen, welche im wesentlichen kugelförmige Gestalt be- sitzen.
Obwohl der tatsächlich ablaufende Vorgang noch in vielerlei Hinsicht geklärt werden muss, kann etwa folgender Reaktionsmechanismus angenommen werden : Wegen der extrem dünnen, isolierenden
Schicht des verflüssigten Gases zwischen den Metallkömem, welche, wie oben erwähnt, in enger Pak- kung dispergiert sind und sich in dauernder Bewegung gegeneinander befinden, entsteht zwischen den kräftig bewegten Körnern ein hohes Potentialgefälle, welches schliesslich zur Zerstörung der isolieren- den Schicht und damit zu einer Funkenentladung zwischen den Metallkörnern führt. Die bei der Fun- kenentladung frei werdende Energie bewirkt ein Verdampfen des Filmes verflüssigten Gases, wobei gleichzeitig von den Oberflächen der am Entladevorgang beteiligten Körner Metallteilchen unter dem
Einfluss der elektrischen Energie abgetragen werden.
Das am oberen Ende der Entladungskammer --3-- abfliessende verflüssigte Gas gelangt in den
Aussenbehälter --2-- und von dort wieder zur Pumpe --11--.
Das aus der Entladungskammer --3-- abfliessende verflüssigte Gas enthält eine grosse Menge ultra- feiner, von den Rohmaterialkörnern abgetragener Metallteilchen, welche sich unter dem Einfluss des
Eigengewichtes am Boden des Aussenbehälters --2-- absetzen. Das sich absetzende Pulver kann vom verflüssigten Gas in an sich bekannter Weise getrennt werden, womit gereinigte Metallteilchen erhalten werden.
Die oben beschriebene Arbeitsweise stellt, wie bereits erwähnt, lediglich eine der im Rahmen der
Erfindung möglichen Arbeitsweisen dar.
In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemä- ssen Verfahrens dargestellt. Mit --1-- ist ein Reaktionsbehälter bezeichnet, welcher mit einer geeigne- ten Isolation --2-- versehen ist. In diesen Reaktionsbehälter --1-- sind Elektroden --3 und 4-- in ho- rizontaler Richtung eingeführt und an die äusseren Enden der Elektroden --3 und 4-- sind die Leiter - 5 und 6-- angeschlossen, welche zu einem Funkengenerator --9-- führen. Dieser Funkengenerator
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- ist in gleicher Weise ausgebildet wie der im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebene und im ein- zelnen in Fig. 3 gezeigte.
Die inneren Enden der Elektroden erstrecken sich bis in den Reaktionsbehälter
An der Oberseite des Reaktionsbehälters ist ein Fülltrichter --10-- vorgesehen, über welchen dem Reaktionsbehälter die Metallkörner und das flüssige Medium zugeführt werden können. Als verflüssiges inertes Gas kann auch hier flüssiges Ammoniak, flüssiger Stickstoff oder flüssiges Argon verwendet werden. Das Isoliermaterial --2-- kann aus irgendeinem Material bestehen, welches in üblicher
Weise für ähnliche Zwecke verwendet wird.
In Anbetracht der Verwendung eines verflüssigten inerten Gases können die erhaltenen Metallteilchen nach Entnahme aus dem Reaktionsbehälter durch Verdampfen des flüssigen Gases einfach gereinigt werden. Wenn anderseits als flüssiges Medium Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Schweröl, verwendet werden würde, so entstünde als Zersetzungsprodukt Kohlenstoff. Bei Verwendung verflüssigter Gase entstehen keine störenden Nebenprodukte und es ist deshalb auch nicht erforderlich, Nebenprodukte aus dem System zu entfemen. Dieser bei Verwendung verflüssigter inerter Gase auftretende Vorteil kompensiert zur Gänze die zusätzlichen Kosten für die Wärmeisolation. Die Verwendung von flüssigem Ammoniak als Reaktionsflüssigkeit ist von besonderem Vorteil, wie im folgenden im einzelnen dargelegt wird.
Wenn flüssiger Ammoniak vergast wird, wird er teilweise unter Bildung von Stickstoff und Wasserstoff zersetzt. Hiebei wird allerdings das erhaltene Metallpulver überhaupt nicht nitriert, wie durch Überprüfung festgestellt werden konnte. Ein beachtlicher Vorteil des flüssigen Ammoniaks ist dessen niedri- ger Preis. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass, wenn nach Entnahme des erhaltenen Metallpulvers aus dem Reaktionsbehälter dieses Metallpulver in einer etwas gasförmigen Ammoniak enthaltenden Verpackung eingeschlossen wird, das erhaltene Metallpulver ohne Gefahr einer Verringerung seiner Qualität verschifft oder über lange Zeiträume gelagert werden kann. Darüber hinaus kann gasförmiges Ammoniak durch Verdichten leicht verflüssigt und damit wiederverwendet werden.
Durch Wahl geeigneter Reaktionsbedingungen ist es möglich nach dem erfindungsgemässen Verfahren ultrafeine Metall- oder Legierungsteilchen mit innerhalb enger Grenzen liegender Korngrösse herzustellen. Die erzielbaren Komgrössenbereiche liegen innerhalb des grösseren Bereiches von 0,05 bis 311.
Grob gesagt, können diese Ergebnisse dadurch erzielt werden, dass die Reaktion entweder innerhalb kurzer Zeit oder innerhalb langer Zeit durchgeführt wird. Zwecks Erzielung der oben angegebenen Ergebnisse ist es auch möglich andere Arbeitsbedingungen, beispielsweise die Betriebsspannung und die Frequenz der zuzuführenden Stromimpulse, abzuändern.
Die bei Verwendung flüssigen Ammoniaks und Aluminiumgranulat erhaltenen Ergebnisse waren folgende :
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<tb>
<tb> Verwendetes <SEP> Metall <SEP> Aluminium
<tb> Korngrösse <SEP> 5 <SEP> mm <SEP>
<tb> Reinheit <SEP> 99, <SEP> 8% <SEP> und <SEP> mehr
<tb> Volumen <SEP> des <SEP> Reaktionsgefässes <SEP> 100 <SEP> x <SEP> 250 <SEP> mm <SEP> Durchmesser
<tb> Menge <SEP> des <SEP> flüssigen <SEP> Ammoniaks <SEP> 11
<tb> Betriebsspannung <SEP> 3,9 <SEP> kV
<tb> Frequenz <SEP> 60 <SEP> kHz
<tb> Korngrösse <SEP> des <SEP> erhaltenen <SEP> Metallpulvers <SEP> 0, <SEP> 05 <SEP> bis <SEP> IJl
<tb> Flüssigkeitstemperatur <SEP> im <SEP> Behälter <SEP> - <SEP> 300C <SEP>
<tb> Ausbeute <SEP> an <SEP> Pulver <SEP> pro <SEP> Stunde <SEP> 0,
<SEP> 7 <SEP> kg
<tb> Leistungsbedarf <SEP> 7 <SEP> kWh/kg
<tb>
Im wesentlichen ähnliche Ergebnisse wurden unter Verwendung anderer Metalle und Metallegierungen erhalten.
In Fig. 3 ist ein Schaltschema für den oben erwähnten Funkengenerator dargestellt. In diesem Schaltschema ist mit R ein Widerstand, mit T ein Transformator mit Hochspannungsausgang, mit G eine Funkenentladungsstrecke, mit C ein Kondensator und mit L eine Induktivität bezeichnet. Der dargestellte Funkengenerator wird mit seinen Klemmen --1 und 2-- an eine nicht dargestellte Wechselstromquelle angeschlossen. Mit --3 und 4-- sind die Ausgangsklemmen des Funkengenerators bezeichnet, an welche die Elektroden (--5 und 6-- in Fig. l, --3 und 4-- in Fig. 2) angeschlossen sind. Bei Entladung des Kondensators C über die Funkenstrecke G wird eine Wechselspannung erzeugt.
Bei der praktischen Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens werden besonders zufriedenstellende Ergebnisse erzielt, wenn der Kondensator während 0,01 sec etwa 6 bis 8 mal geladen und entladen wird.
Dieanfängliche Entladung pannung eb im Reaktionsbehälter soll beträchtlich niedriger sein als die an-
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sators bedeutet. Damit wird die dem mit Materialkörnern gefüllten Reaktionsbehälter zugeführte Ent- ladungsenergie W c pro Periode 2fs'n, wobei fs die Frequenz des dem Funkengenerator zugeführten
Wechselstromes und n eine positive ganze Zahl ist, welche durch die Schwingkreiskonstante bestimmt ist, die für praktische Zwecke n = 4-12 beträgt.
Wenn auch, wie bereits erwähnt, die im Rahmen des erfindungsgemässen Verfahrens ablaufenden Vorgänge ihrer Natur nach nicht zur Gänze geklärt sind, so ergibt sich doch bei Prüfung der Oberfläche der halbfertigen Teilchen, dass diese offensichtlich abgesplittert bzw. abgesprengt wurden. Die im Rahmen des erfindungsgemässen Verfahrens zu verwendenden Elektroden bestehen vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die verwendeten Metallkörner, da von diesen Elektroden während des Arbeitens - wenn auch in beträchtlich geringerem Ausmass - Material abgesprengt wird. Der Materialabtrag von den Elektroden ist so geringfügig, dass diese Elektroden während langer Zeiträume nicht gegen neue ausgetauscht werden müssen.
Der Abstand zwischen den beiden Elektroden hängt von der Scheitelspannung der zugeführten Stromimpulse ab und soll im allgemeinen so bemessen sein, dass zwischen diesen Elektroden während einer Impulsdauer keine Bogenentladung stattfindet. Der Elektrodenabstand kann beispielsweise 30 bis 150 mm betragen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung ultrafeiner Metall- bzw. Legierungspulver durch Funkenentladung innerhalb einer Dispersion von gröberen Metall-bzw. Legierungsteilchen in einer Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit gegenüber den Metall- bzw. Legierungsteilchen inerte verflüssigte Gase verwendet werden und dass durch die Dispersion Stromimpulse geleitet werden.