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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung sowie auf ein Verfahren zur Schaffung von Vormaterial für pulvermetallurgisch herzustellende Teile. In engerer und genauerer Auslegung betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Herstellung von Metallpulver aus Schmelzen mit mindes- tens einem metallurgischen Gefäss zum Behandeln und/oder zur Bereitstellung des Flüssigmetal- les, einer Verdüsungskammer mit einem Düsenteil zur Zerstäubung des Flüssigmetalles, einem Separator für eine Klassierung des gebildeten Metallpulvers, einer Kapselungsanlage zum Ein- bringen und Verschliessen desselben in einem Behälter sowie Förder- und Verbindungsmittel zum Pulvertransport in der Einrichtung und Leitungen mit Reglern und Anschlüssen und dergleichen zur Bereitstellung von Verdüsungsmedien.
Weiters umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Metallpulver aus Schmelzen, bei welchem Flüssigmetall von einem metallurgischen Gefäss in eine Verdüsungskammer einge- bracht, in dieser mittels eines gasförmigen Mediums zerstäubt erstarren gelassen und ein derart gebildetes Metallpulver klassiert und in Kapseln abgefüllt wird, wonach diese verschlossen sowie einer Weiterverarbeitung zugeführt werden. Pulvermetallurgisch hergestellte Werkstücke und Teile besitzen durchwegs feinkörniges isotropes Gefüge und somit auch vorteilhaft gleiche Material- eigenschaften unabhängig von der Beanspruchungsrichtung.
Die günstigen Gefüge- und insbeson- dere mechanischen Eigenschaftsmerkmale sind verglichen mit konventionellen Gütern, bei hoch- legierten PM-Werkstoffen weiters wesentlich verbessert, weil diese keine groben Primärausschei- dungen aufweisen, auch wenn der jeweilige Gehalt der diese Ausscheidungen bewirkenden Elemente hoch ist. Eine pulvermetallurgische Herstellung von Werkstücken erfolgt im wesentlichen derart, dass eine Metallschmelze in einem dünnen Strahl in einen Hohlraum, einer sogenannten Verdüsungskammer, eingebracht und der Schmelzenstrahl mittels eines, eine hohe Bewegungs- energie aufweisenden bzw. bewirkenden Gasstromes aus Düsen, zu kleinen Tröpfchen zerteilt wird. Die Tröpfchen erstarren beim weiteren Durchwandern der Kammer in äusserst kurzer Zeit und werden als Pulverkörner gesammelt.
Anschliessend erfolgt ein weiteres Kühlen und gegebenenfalls ein Klassieren des Metallpulvers, welches letztlich in einer Metallkapsel eingeschlossen wird, worauf die Kapseln einem Pressvorgang bei hoher Temperatur unterworfen werden. Dieses Heiss- pressen kann durch Schmieden oder Walzen der auf Verformungstemperatur gebrachten Kapseln oder durch ein heiss-isostatisches Pressen (HiP-en) derselben ausgeführt werden, wobei ein Zu- sammensintern der Pulverkörner sowie ein Verschwinden der Hohlräume zwischen diesen erfolgen und ein vollkommen dichtes Werkstück mit äusserst feinkörniger allseitig homogener Struktur entsteht.
Eine Einrichtung zur Metallpulverherstellung kann eine, im wesentlichen vertikale oder eine, im wesentlichen horizontale Verdüsungskammer besitzen, je nach dem, welche Verdüsungsart bzw.
Richtung für die Metallschmelze vorgesehen ist.
Wird der das flüssige Metall zerstäubende Gasstrahl in Richtung des Schmelzenstromes nach unten geführt, wie dies beispielsweise bei einer Einrichtung gemäss SE-AS-421758 vorgesehen ist, so ist eine mit ihrer Längsaxe vertikal ausgerichtete Verdüsungskammer vorteilhaft einsetzbar.
Allerdings weisen derartige Verdüsungseinrichtungen in ihrer Gesamtheit eine beträchtliche Höhe auf, was sich nachteilig auf die Anlagen und Hallenkosten auswirken kann.
Bei einem Zerstäubungsverfahren, bei welchem der Gasstrom seitlich mit einem Winkel von etwa 90 auf den in die Kammer eingeführten Metallstrom trifft, wie dies die WO 89/05197 A1 offenbart, wird vorzugsweise eine in ihrer Längserstreckung im wesentlichen horizontal gerichtete Verdüsungskammer Anwendung finden. Derartige horizontale Kammern bauen zwar einrichtungs- technisch niedrig, müssen jedoch zumeist zusätzliche Gaseinlässe und/oder weitere Mittel auf- weisen, um die Erstarrung der Metalltröpfchen und den Pulvertransport zu fördern bzw. zu bewerk- stelligen sowie deren thermische Belastung zu erniedrigen.
Bei sämtlichen Einrichtungen zur Herstellung von Metallpulver aus Schmelzen soll während des gesamten Erstellungsvorganges bis zur Pulverkapselung ein Luftzutritt weitestgehend vermie- den werden. Diese Vorgabe erfordert einen grossen anlagen- und verfahrenstechnischen Aufwand, wobei oft einige Servicearbeiten behindernd, nur unbedingt erforderliche Gefässöffnungen mit besonders wirkungsvollen Abdichtungen in den Einrichtungen vorgesehen sind.
Nach einer Verarbeitung einer Schmelze zu Pulver können in der Einrichtung dergleichen
Reste verbleiben, welche mit der Folgecharge ausgebracht und mit dieser weiterverarbeitet wer- den. Diese Restmengenaufmischung ist gegebenenfalls tolerierbar, wenn in der Folge gleichartige
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Schmelzen bzw. Schmelzen der gleichen Stahlmarke innerhalb des vorgeschriebenen engen Bereiches der chemischen Zusammensetzung zur Verarbeitung gelangen. Anderenfalls ist jedoch eine aufwendige und zeitraubende Reinigung der Verdüsungseinrichtung erforderlich und/oder es muss der Vorlauf bzw. die zuerst anfallende Pulverteilmenge ausgeschieden und dem Abfall zuge- teilt werden.
Bei einer Zerteilung des Schmelzenstromes in der Verdüsungskammer ist die Grösse der gebil- deten Tröpfchen bei unveränderter Gasbeaufschlagung von der Temperatur der Schmelze und insbesondere von der Geschwindigkeit bzw. vom ferrostatischen Druck, mit welchem diese in die Kammer geleitet wird, abhängig. Werden also die Temperatur des Bades und/oder die Metallbad- höhe im metallurgischen Gefäss über die Verdüsungszeit nicht weitgehend konstant gehalten, so werden abhängigkeitsgemäss unterschiedliche Pulverkornklassen gebildet und können in der Folge in der Kapsel schichtweise eingelagert werden, wodurch in dieser zumindest in deren Längs- richtung Inhomogenitäten mit höheren Resthohlräumen entstehen.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Einrichtung zur Herstellung von Metallpulver aus Schmelzen zu schaffen, welche bevorzugte Erstarrungskrite- rien der Metalltröpfchen begünstigt, eine besondere Verdüsungskammer aufweist, eine vorteilhafte einfache Pulververbringung in der Einrichtung verwendet, dichtestmögliche Pulverkornpackungen zur Füllung von Kapseln bereitstellt und geringe Bauhöhe der Einrichtung sowie hohe Wirtschaft- lichkeit bei der Einrichtungserstellung aufweist.
Weiters ist es Ziel der Erfindung ein Verfahren anzugeben, mittels welchen auf einfache und wirtschaftliche Weise Pulver aus Flüssigmetall herstellbar ist und von diesem Pulver Kapselein- lagen mit hoher Dichte und Homogenität erstellbar sind.
Die Aufgabe bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Verdüsungskammer, welche eintragseitig mit dem metallurgischen Gefäss in Verbin- dung steht und in deren Längserstreckung zur Horizontalen mit einem Winkel nach unten geneigt ausgebildet ist, austragseitig mit einem Umführungsteil zusammenwirkt, an welchen Teil in Weiter- führung des Förderweges für das Pulver, ein nach oben gerichtetes Rohr anschliesst und dieses Steigrohr in einen dem Separator vorgeordneten Desintegrator mündet, wobei der mit dem Desin- tegrator über ein Ablenkventil verbundene Separator eine Verbindung mit einem Sammelbehälter aufweist, welcher selbst unter Zwischenlage eines Absperrorganes mit einer Kapselungsanlage bzw. Pulverkapsel in Verbindung bringbar ist.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass die Einzelteile der Einrichtung in ihrer jeweiligen Funktion hinsichtlich der hohen Anforderungen an das Metall- pulver bzw. an das Endprodukt optimiert und synergetisch aufeinander abgestimmt sind sowie die Einrichtung in ihrer Gesamtheit hohe Wirtschaftlichkeit, Betriebssicherheit und Verfügbarkeit be- sitzt. Dabei bewirkt eine Schräglage der Verdüsungskammer eine der Flugparabel angepasste Erstreckung und somit eine lange Abkühlzeit bzw. Erstarrungszeit der Metalltröpfchen im Verdü- sungsmedium. In vorteilhafter Weise wird mittels des Umführungsteiles ein kleinräumiges Sam- meln der Pulverkörner mit einem anschliessenden Einbringen und Fördern in einem Steigrohr zum Separator erreicht.
Dadurch werden einerseits Ansammlungen von Pulverresten in fördertechni- schen Totlagen vermieden und andererseits die Höhe der Einrichtung in ihrer Gesamtheit verrin- gert.
Der nach dem Steigrohr in einer Hochlage positionierte Desintegrator hat den Vorteil, dass das Pulver bei Ausnutzung der Schwerkraft leicht einem Separator zugeführt werden kann, wonach in gleicher Weise anschliessend die gewählten Pulverfraktionen in einen Sammelbehälter einbringbar sind. Der Sammelbehälter besitzt erfindungsgemäss austragseitig ein Absperrorgan, sodass gege- benenfalls grosse Pulvermengen den Erfordernissen entsprechend in eine Vielzahl von kleinen Kapseln abgefüllt werden können.
Um die Verfügbarkeit der Einrichtung weiter zu erhöhen, aber auch um deren gegebenenfalls erforderliche Reinigung bei einem Chargenwechsel mit hoher Effizienz in kleinen Zeiträumen aus- zuführen, kann erfindungsgemäss vorgesehen sein, dass die Teile Verdüsungskammer, Steigrohr, Desintegrator, Separator und Sammelbehälter jeweils mindestens ein kurzzeitig lös- und befestig- bares Reinigungsverschlussmittel bzw. eine dergleichen Reinigungsöffnung aufweisen und dass der Umführungsteil abnehmbar ausgeführt ist.
Sowohl eine Reinerhaltung als auch eine entsprechende kurzzeitige Reinigung der Verdü-
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sungskammer wird gefördert, wenn der Neigungswinkel Alpha (a) der Verdüsungskammer zwi- schen 5 4 und 60 4 beträgt. Gemäss der Erfindung werden dadurch auch die Erstarrung der Metalltröpfchen und die weitere Abkühlung der Pulverkörner günstig beeinflusst.
Wenn weiters, wie erfindungsgemäss vorgesehen sein kann, der Umführungsteil und/oder das Steigrohr zumindest eine Zuführung für das im Rohr nach oben gerichtete wirksame Fördergas aufweist (en), sind besonders günstig abstimmbare Strömungsverhältnisse und damit eine vorteil- hafte Pulverförderung in der Einrichtung erreichbar und es können besonders zielführend die jewei- ligen Innendruckverhältnisse eingerichtet werden.
Das Pulver, weiches oft während des Herstellungsvorganges gegebenenfalls chargenabhängig mit verschiedenen Korngrössen über die Zeit anfällt, kann vor einer Einbringung in eine Kapsel weiter behandelt werden, wenn der Sammelbehälter bodenseitig zumindest einen Anschluss für die Zufuhr von Gas zur Homogenisierung der Pulverfraktion besitzt.
Besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine wirtschaftliche Herstellung aber auch die Qualitäts- sicherung und Dokumentation des Erzeugnisses betreffend ist es, wenn das Fassungsvermögen des Sammelbehälters der Pulvermenge entspricht, die aus einer Charge Flüssigmetall im Verteiler erstellbar ist.
Zum Erreichen besonderer Erzeugnisgüte ist bevorzugt, wenn mittels eines Leitungssystems in allen mit Metallpulver beaufschlagten Teilen sowie den Gasreinigungs- und dergleichen Kühlkom- ponenten ein Druck einregelbar ist, der um mehr als 0,1 bar über dem Umgebungsdruck liegt.
Schliesslich ist es für die Güte des Flüssigmetalles und die Verdüsungsergebnisse günstig, wenn der Schmelze im Verteiler Wärmeenergie zuführbar und/oder diese durch magnetische Mittel bewegbar ist.
Das weitere Ziel der Erfindung wird bei einem gattungsgemässen Verfahren dadurch erreicht, dass das in der schräg nach unten geneigten Verdüsungskammer gebildete Metallpulver im unteren bzw. austragseitigen Bereich derselben zusammengeführt, in einen nachgeordneten Umführungs- teil eingesetzt, mittels eingeleiteten Fördergases in einer Rohrführung nach oben gefördert, in einen Desintegrator, insbesondere in einen Zyklonseparator, eingebracht, desintegriert und nach- folgend klassiert wird, worauf die gewünschten Fraktionen des Pulvers in einem Behälter gesam- melt, in diesem von unten mit Gas durchströmt und derart gemischt werden, worauf nach Samm- lung einer gewünschten homogenisierten Pulvermenge ein Einbringen des Metallpulvers in eine Kapsel und ein Verschliessen derselben erfolgen.
Die Vorteile des Verfahrens gemäss der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass bei einem Zerstäuben des Flüssigmetallstromes in der geneigten Verdüsungskammer die Flugbahn der Tröpfchen vergrössert ist und durch das Verdüsungsmedium schon frühzeitig eine Erstarrung und eine wirksame Kühlung der Pulverkörner bewirkt werden. Der Transport des Pulvers erfolgt mit vergleichsweise geringem Gasdurchsatz durch die Kammer, sodass ein Sammeln und Einbringen der Körner in den Umführungsteil unter günstigen Voraussetzungen gegeben ist. Vom Umfüh- rungsteil wird das Pulver durch Fördergas, welches eine weitere Kühlwirkung ausübt, nach oben gefördert und nachfolgend desintegriert, klassiert und in den Sammelbehälter eingebracht, was anlagen- und verfahrenstechnisch durch eine geringe Wärmebelastung und durch die Schwerkraft- wirkung vorteilhaft ausführbar ist.
Besonders wirkungsvoll und gütesteigernd für den Einsatz in Kapseln ist erfindungsgemäss ein Durchströmen des Pulvers im Sammelbehälter mit Gas von unten, weil damit nicht nur eine homogenes Pulvergemisch gebildet sondern auch eine dichte Pulverkornpackung erreicht werden können.
Eine Oxidation der Pulverkornoberflächen und eine innere Inertgasbelastung beim Heisskom- paktieren zu porenfreien Werkstücken ist verhinderbar, wenn die Herstellung des Metallpulvers und dessen Kapselung bei Vermeiden von Luftzutritt bzw. bei einem Überdruck von Inertgas im System erfolgt.
Im Hinblick auf höchste Güteanforderungen an das Erzeugnis sowie optimale Qualitätssiche- rung und Dokumentation kann es günstig sein, wenn jeweils in einem ersten Verfahrensschritt eine Charge oder Schmelze zu Metallpulver verdüst und dieses nach einem Aufbereiten in mindestens eine Kapsel eingebracht und in dieser eingeschlossen wird, worauf in einem Folgeschritt des Verfahrens ein Offenstellen der in den einzelnen Teilen der Einrichtung angeordneten Reinigungs- verschlüsse durchgeführt und die Einrichtungsteile von Pulverrückständen gesäubert werden, wonach die Reinigungsöffnungen abgedichtet und eine Bereitstellung der Einrichtung fur eine
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Verdüsung einer weiteren Charge erfolgt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnung näher erläutert. Eine Bezugszeichenliste ist den Erläuterungen vorgeordnet.
Bezugszeichenliste
1 Metallschmelze
2 metallurgisches Gefäss
21 Schmelzenbewegungseinrichtung
3 Verdüsungskammer
31 Abdeckung der obenen Reinigungsöffnung
4 Umführungsteil
5 Steigrohr
51 Zuführungsrohr zum Desintegrator
6 Desintegrator
61 Ablenkventil
62 Desintegratorabdeckung
7 Separator
71 Pulverschrottbehälter
8 Sammelbehälter
81 Absperrorgan
82 Behälterabdeckung
9 Pulverkapsel
10 Druckgasleitungssystem
11 Pumpe
12 Gasdüsenteil
13 Fördergaszuleitung
14 Mischungsgaszuleitung
15 Gasrückleitung
16 Filter
17 Gaskühler
18 Feinfilter
Wie in der Zeichnung schematisch dargestellt, wird eine Metallschmelze in einem metallurgi- schen Gefäss 2 bereitgestellt und mittels einer Düse in Form eines dünnen Metallstromes in eine Verdüsungskammer 3 eingebracht.
Der Metallstrom 3 wird durch einen aus einem Gasdüsenteil 12 im oberen Bereich der Verdüsungskammer 3 austretenden Gasstrom mit hoher Bewegungsenergie zerstäubt und dabei gebildete Pulverkörner in einen Umführungsteil 4 eingebracht. Mittels einer Fördergaszuleitung 13 vom Druckgasleitungssystem 10 erfolgt eine nach oben gerichtete Förde- rung des Pulvers in einem Steigrohr 5, welches mittels eines Zuführungsrohres 51 an einen Desin- tegrator 6 angeschlossen ist. Das Verdüsungs- und Fördergas wird aus dem Desintegrator in einer Gasrückleitung 15 unter Zwischenschaltung eines Filters 16, eines Gaskühlers 17 und eines Fein- filters 18 einer Pumpe 11 wieder zugeführt.
Eine Weiterführung des Metallpulvers aus dem Desm- tegrator 6 erfolgt unter Zwischenschaltung eines Ablenkventils 61 durch welches ein Schrottanteil einem Pulverschrottbehälter 71 zuführbar ist, wobei eine Einbringung in einen Separator 7 erfolgt.
Mittels des Separators 7 erstellte gewünschte Pulverfraktionen werden nachfolgend in einen Sam- melbehälter 8 eingebracht und zumindest zeitweise in diesem durch ein zugeleitetes Mischgas 14 homogenisiert. Mittels eines Absperrorganes 81 vom Sammelbehälter kann das aufbereitete Me- tallpulver einer Metallschmelze 1 bzw. einer Charge in einer oder in mehreren Pulverkapsel(n) eingebracht werden.
Zur Reinigung der Einrichtung, zum Beispiel für eine Verarbeitung einer zusammensetzungs- ungleichen Metallschmelze 1 sind verschliessbare Reinigungsöffnungen vorgesehen. Die Verdü- sungskammer 3 besitzt dafür eine abnehmbare Abdeckung 31 einer oberen Reinigungsöffnung und ist austragseitig durch ein Verfahren des Umlenkungsteiles 4 zu öffnen. Bei einer Abnahme des Zuführungsrohres 51 oder dergleichen und einem Entfernen der Desintegratorabdeckung 62
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können das Steigrohr 5 und der Desintegrator 6 von Pulverrückständen gesäubert werden.
Gleiches ist für den Separator 7 und den Sammelbehälter 8 durch Abnahme der Behälterab- deckungen möglich.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Herstellung von Metallpulver aus Schmelzen (1) mit mindestens einem metallurgischen Gefäss (2) zum Behandeln und/oder zur Bereitstellung des Flüssigmetal- les, einer Verdüsungskammer mit einem Düsenteil zur Zerstäubung des Flüssigmetalles, einem Separator für eine Klassierung des gebildeten Metallpulvers, einer Kapselungsan- lage zum Einbringen und Verschliessen desselben in einem Behälter sowie Förder- und
Verbindungsmittel zum Pulvertransport in der Einrichtung und Leitungen mit Reglern und
Anschlüssen und dergleichen zur Bereitstellung von Verdüsungsmedium, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Verdüsungskammer (3), welche eintragseitig mit dem metallur- gischen Gefäss (2) in Verbindung steht und in deren Längserstreckung zur Horizontalen mit einem Winkel (a) nach unten geneigt ausgebildet ist,
austragseitig mit einem Umführungs- teil (4) zusammenwirkt, an welchen Teil (4), in Weiterführung des Förderweges für das
Pulver, ein nach oben gerichtetes Rohr (5) anschliesst und dieses Steigrohr (5) in einen dem Separator (7) vorgeordneten Desintegrator (6) mündet, wobei der mit dem Desinteg- rator (6) über ein Ablenkventil (61) verbundene Separator (7) eine Verbindung mit einem
Sammelbehälter (8) aufweist, welcher selbst unter Zwischenlage eines Absperrorganes (81) mit einer Kapselungsanlage (9) bzw. Pulverkapsel in Verbindung bringbar ist.