AT410640B - Verfahren und vorrichtung zum zerstäuben von metallschmelzen - Google Patents

Description

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   Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Zerstäuben von Metallschmelzen, bei wel- chem das flüssige Metallbad aus einem Tundish über eine Auslassöffnung mit Treibgas in einen 
Kühlraum oder unter Kompaktieren der zerkleinerten Teilchen auf eine zu beschichtende Fläche versprüht wird sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. 



   Zur Erzielung von dichten Beschichtungen aus Metallen wurde bereits vorgeschlagen, derarti- ge Metalle aus einem Schmelzbad mittels Treibgasen auf eine zu beschichtende Fläche bzw. ein 
Target auszustossen, wobei die noch schmelzflüssigen Tröpfchen beim Auftreffen auf die zu be- schichtende Fläche oder das Target (Substrat) erstarren und auf diese Weise eine entsprechende 
Verdichtung bzw. Kompaktierung der Beschichtung erzielt wird. Beim Zerstäuben von schmelzflüs- sigen Metallen mit Treibgasen wird in der Regel ein inerter Treibgasstrahl mit Umgebungstempera- tur eingesetzt, wobei die bekannten Verfahren durchwegs einen relativ hohen Treibgasbedarf und in der Regel auch einen relativ hohen Treibgasdruck voraussetzen. Für die Zerstäubung und das 
Kompaktieren von derartigen zerstäubten Metallpartikeln sind eine Reihe von Düsengeometrien vorgeschlagen worden.

   Beispielsweise ist aus der DE 197 58 111 A1 eine Zerstäubungsvorrich- tung mit einer filmbildenden, linearen Schmelzedüse mit schlitzförmigem bzw. rechteckigem Aus- trittsquerschnitt bekannt geworden. Ebenso wie bei der DE 35 33 964 C1 wird dabei das Treibgas über eine den Schmelzestrahl umgebende ringförmige Öffnung ausgestossen. Die Wirtschaftlichkeit derartiger Verfahren war aber regelmässig durch die erforderliche Treibgasmenge und den erforder- lichen Treibgasdruck wesentlich bestimmt. 



   Die Erfindung zielt nun darauf ab ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem es gelingt flüssige Metalle unter wesentlicher Verringerung der erforderlichen Treibgas- menge effizient und mit wesentlich kleiner bauenden Einrichtungen zu zerstäuben, wobei gleichzei- tig eine wesentlich feinere Zerstäubung erzielt werden soll und die Möglichkeit geboten werden soll, in die zerstäubte Metallschmelze auch weitere Komponenten einzubauen.

   Zur Lösung dieser 
Aufgabe besteht das erfindungsgemässe Verfahren im wesentlichen darin, dass die flüssige Metall- schmelze über einen Ringspalt als hohlzylindrischer Strahl in die Auslassöffnung eingebracht wird, in welche konzentrisch zur Öffnung im Inneren des hohlzylindrischen Strahles Heissgas mit Tempe- raturen von 250  C bis 1300  C und einem überkritischen Druck zwischen 2 und 30 bar über eine 
Lavaldüse und einen Leitkörper ausgestossen wird, und dass das Heissgas mit einer radial nach aussen gerichteten Komponente oder mit einem Drall mit die Schallgeschwindigkeit übersteigender 
Geschwindigkeit mit dem Schmelzbad in Kontakt gebracht wird.

   Dadurch, dass abweichend von den bekannten Verfahren Heissgase bei Temperaturen von 250  C bis 1300  C und einem überkri- tischen Druck zwischen 2 und 30 bar zum Einsatz gelangt, wird die Viskosität des Treibgases wesentlich gegenüber bekannten Verfahren erhöht, wodurch Scherkräfte effizienter zur Wirkung gelangen und eine feinere Zerteilung der Metallschmelze in besonders kleine Teilchen mit einem 
Durchmesser d50 von unter 10  m erzielt werden. Gleichzeitig gelingt es den Treibgasverbrauch gegenüber der Verwendung von Treibgasen mit den üblichen niederen Temperaturen auf 1/3 bis auf 1/5 zu reduzieren, wodurch sich wesentliche Vorteile im Bezug auf die Wirtschaftlichkeit bei der Metallzerstäubung ergeben. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass aufgrund der geringeren Tem- peraturdifferenz die Metallschmelze nicht im Schmelzenauslauf einfriert.

   Dadurch, dass die flüssige Schmelze über einen Ringspalt als hohlzylindrischer Strahl in die Auslassöffnung eingebracht wird, wird die Möglichkeit geschaffen durch entsprechende Verstellung dieses Ringspaltes den Zustrom der flüssigen Schmelze, und damit die in der Zeiteinheit durchgesetzte Menge, in einfacher Weise zu beeinflussen und dadurch, dass das Treibgas nun konzentrisch zur Auslassöffnung eingebracht wird, wird die Möglichkeit geschaffen denjenigen Bauteil, welcher den Ringspalt bestimmt, als zweites konzentrisches Rohr, als Saugrohr für das Ansaugen von weiteren Stoffen heranzuziehen. 



  Dadurch, dass das Heissgas mit einer radial nach aussen gerichteten Komponente oder mit einem Drall mit die Schallgeschwindigkeit übersteigender Geschwindigkeit mit dem Schmelzbad in Kon- takt gebracht wird, was insbesondere dadurch gelingt, dass der Ausstoss unter einem überkriti- schen Druck über eine Lavaldüse und einen Leitkörper erfolgt, gelingt es bei geringer Treibgas- menge hohe Scherkräfte zu übertragen, wobei durch die rasche Abbremsung des aufgrund der höheren Temperaturen höher viskosen Treibgasstrahles beim Auftreffen auf die Metallschmelze eine besonders effiziente und rasche Zerteilung bewirkt wird. Der Abstand zu einer zu beschich- tenden Fläche kann bei einer derartigen Ausbildung überaus kurz gewählt werden, sodass mit kleinbauenden Einrichtungen das Auslangen gefunden wird. 

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   Mit Vorteil wird das erfindungsgemässe Verfahren so durchgeführt, dass eine Lanze mit der Laval- düse für das Heissgas konzentrisch in einem Rohr unter Ausbildung eines Ringraumes geführt ist und dass über den Ringraum reaktive Gase, wie z. B. CO, H2, O2 oder   HzO-Dampf   und/oder Inertga- se, wie z.B. N2 oder Ar angesaugt werden. Das die Lanze mit der Lavaldüse umgebende Rohr definiert mit seiner Unterkante den geforderten Ringspalt für den Zutritt der flüssigen Metallschmel- ze und es wird gleichzeitig zwischen der Lanze und dem Rohr ein Ringraum für die Ansaugung von reaktiven Gasen und/oder Inertgasen ausgebildet. Eine derartige Ausbildung ermöglicht eine bevorzugte Verfahrensführung, bei welcher in den angesaugten Gasstrom Metallpulver oder Zu- sätze wie z. B.

   SiC, Al2O3, oder Y2O3 aufgegeben werden, wodurch mit einer besonders einfachen kontruktiven Ausbildung der Vorrichtung ein hohes Mass an Einstellbarkeit des Zerstäubungsverfah- rens an unterschiedliche Bedürfnisse sichergestellt wird. 



   Die Strahlungswärme der mit dem heissen Treibgas ausgestossenen Metallschmelze, welche beim Ausstoss wirkungsvoll zerstäubt wird, kann zur Erwärmung des Heissgases herangezogen werden, wofür vorzugsweise so vorgegangen wird, dass das Heissgas in einem die ausgestossenen 
Schmelzpartikel umgebenden Wärmetauscher erhitzt wird. 



   Aufgrund der Verwendung von Heissgas werden, wie eingangs bereits ausgeführt, besonders kleine Teilchen gebildet und es bildet sich neben einer abwärts gerichteten Strömung im Kühlraum eine vortexartige auswärts gerichtete Strömung von Feinstteilchen aus. Diese Feinstteilchen wer- den neuerlich in den abwärts gerichteten Strom der zerstäubten Schmelze angesaugt und dienen dort teilweise der raschen Abkühlung der zerstäubten Schmelze. Um nun den Anteil der Feinstteil- chen, welche zur Kühlung wirksam sind, aber einer effizienten Zerkleinerung der Teilchen teilweise entgegenstehen zu verringern, und insbesondere um sicherzustellen, dass derartige Feinstteilchen nicht im Bereich der Auslassöffnung bzw.

   Mündung des Tundish zu Anwachsungen führt, wird mit 
Vorteil so vorgegangen, dass im Kühlraum aufsteigende Feinstpartikel der erstarrten Schmelze unterhalb der Mündung des Schmelzstromes abgesaugt und über eine Schleuse ausgetragen werden. Durch die Möglichkeit über den Ringraum zusätzliche feste Stoffe, wie beispielsweise 
Siliziumcarbid, Al2O3 oder Y203, als feines Pulver anzusaugen, lassen sich auch Metal-Matrix- 
Compound-Werkstoffe, und damit besonders verschleissfeste Beschichtungen erzielen.

   Im Ver- gleich zu komplex aufgebauten diskreten Sprühdüsen kann mit einer einzigen Lavaldüse mit nach- geschaltetem Leitkörper, über welchen lediglich das heisse Treibgas ausgestossen wird, bei wesent- lich geringerem Treibstoffbedarf all diesen Aufgabenstellungen Rechnung getragen werden, wofür im einzelnen lediglich eine entsprechende Verstellbarkeit des Rohres zur Einstellung des Ringspal- tes und eine entsprechende Wahl der angesaugten Gase erforderlich ist. Zusätzlich kann durch eine entsprechende axiale Verstellbarkeit des Leitkörpers bzw. durch einen entsprechenden Aus- tausch des Leitkörpers die gewünschte Strahlgeometrie in einfacher Weise beeinflusst werden und an die gewählten Stoffe angepasst werden. 



   Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens weist einen Schmelzentundish und ein in die Schmelze unter Ausbildung eines die Austrittsöffnung für die Schmelze umgebenden Ringspaltes eintauchendes Tauchrohr auf, wobei weiters eine Lanze für den Ausstoss von Treibgas vorgesehen ist. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist hiebei im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass die höhenverstellbare Lanze eine Lavaldüse trägt und im oder in Strömungsrichtung anschliessend an den sich erweiternden Mündungsbereich der Lavaldüse ein Leitkörper höhenverstellbar angeordnet ist, wobei der lichte Querschnitt zwischen der Düse und dem Leitkörper in axialer Richtung zum Austrittsende zunehmend und grösser als der engste Querschnitt der Lavaldüse ausgebildet ist.

   Der im oder in Strömungsrichtung anschliessend an den sich erweiternden Mündungsbereich der Lavaldüse vorgesehene Leitkörper kann durch seine Höhenverstellbarkeit entsprechend zur Minimierung des Treibgasverbrauches verstellt werden, wobei zur Erzielung der gewünschten Überschallgeschwindigkeit lediglich dafür Sorge getragen werden muss, dass der lichte Querschnitt zwischen der Innenwand der Lavaldüse und dem Leitkörper in axialer Richtung zum Austrittsende immer grösser als der engste Querschnitt der Lavaldüse und in Achsrichtung zunehmend ausgebildet ist. 



   Zur Erzielung eines entsprechenden Ringraumes zur Ansaugung von zusätzlichen Komponen- ten ist die Ausbildung mit Vorteil so getroffen, dass der Aussendurchmesser der Lanze kleiner als der lichte Durchmesser des Tauchrohres ausgebildet ist und die Lanze dichtend durch einen Deckel des Tauchrohres geführt ist und dass an den die Lanze umgebenden Raum des Tauchroh- 

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 res eine Leitung für die Zufuhr von Gasen oder reaktivem Metallpulver oder Zusätzen mündet. In der Leitung für die Zufuhr von Gasen oder reaktiven Metallpulver kann hiebei ein einstellbares 
Drosselventil vorgesehen sein, sodass gegebenenfalls der Raum zwischen Lanze und dem Tauch- rohr unter einem entsprechenden Unterdruck gehalten werden kann, wodurch zusätzlich auch pulsierende Strömungen erzielt werden können. 



   Mit Vorteil ist der Leitkörper als Kegel mit am Mantel angeordneten Leitflächen ausgebildet. Ei- ne ausgeprägte radiale Komponente lässt sich mit einem derartigen Leitkörper dann erzielen, wenn, wie es einer bevorzugten Ausbildung entspricht, die Leitflächen S-förmig gekrümmt verlaufen und in Umfangsrichtung mit jeweils gleichem Winkel an die Tangente des Grundkreises des kegelför- migen Körpers gerichtet enden. 



   Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Aus- führungsbeispieles einer für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten 
Vorrichtung näher erläutert. 



   In der Zeichnung ist mit 1 ein im Querschnitt dargestellter Schmelzentundish bezeichnet, in welchem ein Metallbad 2 schmelzflüssig gehalten ist. Um dieses Metallbad schmelzflüssig zu halten, kann eine induktive Heizung, wie sie schematisch durch die Wicklungen 3 angedeutet ist, vorgesehen sein. 



   In das Metallbad taucht ein Rohr 4 ein, welches zwischen dem Boden des Tundish 1 und der 
Unterkante des Rohres einen Ringspalt begrenzt. Dieses Rohr 4 ist in Richtung des Doppelpfeiles 
5 in Höhenrichtung verstellbar, sodass die jeweils in der Zeiteinheit aus dem Tundish 1 abfliessende 
Metallbadmenge in einfacher Weise reguliert werden kann. 



   Das Rohr 4 ist mit einem Deckel 6 verschlossen, in welchem dichtend eine Lanze 7 in Richtung des Doppelpfeiles 8 in Höhenrichtung verstellbar geführt ist. Die Lanze 7 weist an ihrem Austritt- sende für Heissgas eine Lavaldüse 9 auf. Wenn Heissgas unter überkritischen Bedingungen zuge- führt wird, ergibt sich aufgrund dieser Ausbildung als Lavaldüse im engsten Querschnitt der Laval- düse 9 exakt Schallgeschwindigkeit, wobei in dem nachfolgenden sich verbreiternden Querschnitt aufgrund der raschen Expansion Überschallgeschwindigkeit erreicht wird. In diesem sich erweiter- enden Bereich ist nun ein Leitkörper 10 angeordnet, welcher über ein entsprechendes Gestänge 
11 in Richtung des Doppelpfeiles 12, gleichfalls in axialer Richtung, verstellbar ist.

   Durch entspre- chende Justierung des Leitkörpers kann somit die Strahlform beeinflusst werden, wobei lediglich sichergestellt werden muss, dass sich der jeweils wirksame Querschnitt im Anschluss an die engste 
Stelle der Lavaldüse 9 in axialer Richtung entsprechend erweitert, sodass durch die rasche Expan- sion Überschallgeschwindigkeit erzielt wird. 



   Der Treibgasstrahl aus der Lanze 7 gelangt nun in einen nachfolgenden Kühlraum 13, in wel- chem beispielsweise ein Target 14 angeordnet sein kann. Der Treibgasstrahl kollidiert mit Über- schallgeschwindigkeit und entsprechender Viskosität aufgrund seiner hohen Temperatur mit dem ausströmenden Metallbad, sodass eine rasche und effiziente Zerkleinerung erfolgt, welche als Be- schichtung auf das Target 14 aufgetragen werden kann. Sofern ein derartiges Target 14 nicht eingebaut ist, kann das entsprechend zerkleinerte Metallpulver über eine Schleuse 15 am unteren Ende der Kühlkammer 13 abgezogen werden. Die Strahlungswärme der erstarrenden Metalltröpf- chen kann in einem die Kühlkammer umgebenden Wärmetauscher 16 genutzt werden, welchem Kaltgas über eine Leitung 17 zugeführt und aus welchem Heissgas über eine Leitung 18 abgezogen wird.

   Sofern die auf diese Weise erzielte Temperatur für die gewünschten Zwecke ausreicht, kann dieses Heissgas über die Leitung 18 unmittelbar der Lanze 7 zugeführt werden. Eine weitere Erhit- zung kann über konventionelle, in der Zeichnung nicht dargestellte Rekuperativwärmetauscher, erzielt werden. 



   Im Inneren der Kühlkammer 13 ist weiters eine Ringleitung 19 ersichtlich, über welche Feinstpartikel abgesaugt werden können. Diese feinsten Partikel können über die Leitung 20 einem Sichter 21 zugeführt werden und über eine Schleuse 22 als Feinstpulver ausgetragen werden. Die ausgetragene Menge an Feinstpulver gelangt somit nicht mehr in die abwärts gerichtete Strömung und hat somit auch keinen Einfluss auf das Erstarrungsverhalten der durch den Treibgasstrahl zerkleinerten Tröpfchen. 



   Die Lanze 7 ist nun unter Freilassen eines Ringraumes 23 in Abstand von der Innenwand des Rohres 4 geführt. In diesen Ringraum kann über eine Leitung 24 zusätzliches Material angesaugt werden, wobei hier in erster Linie reaktive Gase, wie CO, H2, N2, O2 oder im Falle, dass eine teil- 

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 weise Oxidation der Metallpartikel erwünscht wird, auch H20-Dampf angesaugt werden. Die jeweils angesaugte Menge kann durch ein einstellbares Drosselventil 25 festgelegt werden. In diese Leitung kann auch aus einem Vorratsbehälter 26 eine Reihe von pulverförmigen und mit einem Gasstrom fliessfähigen Materialien als Dotierung angesaugt werden.

   Als dispergierbare Feststoffe können hiebei in erster Linie Metallpulver, SiC, Al2O3 oder auch Y203 angesaugt werden und über die Leitung 24 in den Ringraum 23 eingetragen werden, aus welchem sie über den Heissgasstrom angesaugt und in raschen und intensiven Kontakt mit der Metallschmelze gebracht werden. 



   Als Treibgase kommen in erster Linie Inertgase, wie beispielsweise Stickstoff und Helium, in Betracht, wobei je nach Aufgabenstellung auch reaktive Gase, wie CO, H2, gegebenenfalls ver- mengt mit Wasserdampf, zum Einsatz gelangen können, wenn eine oxidative Zerstäubung ge- wünscht wird. 



   Als Metallschmelzen können AI-, Cu-, Fe-, Ni-, Co-, Ti-, Mg- oder Schmelzen von seltenen Erd- metallen bzw. deren Legierungen, insbesondere Co-basierte Superlegierungen eingesetzt werden. 



  Die erhaltenen Pulver eignen sich besonders für den Einsatz in der Sinter- oder Pulvermetallurgie, beispielsweise für heiss-isostatisches Pressen. 



   PATENTANSPRÜCHE: 
1. Verfahren zum Zerstäuben von Metallschmelzen, bei welchen das flüssige Metallbad aus einem Tundish über eine Auslassöffnung mit Treibas in einen Kühlraum oder unter Kom- paktieren der zerkleinerten Teilchen auf eine zu beschichtende Fläche versprüht wird, da- durch gekennzeichnet, dass die flüssige Metallschmelze über einen Ringspalt als hohlzy- lindrischer Strahl in die Auslassöffnung eingebracht wird, in welche konzentrisch zur Öff- nung im Inneren des hohlzylindrischen Strahles Heissgas mit Temperaturen von 250  C bis 
1300  C und einem überkritischen Druck zwischen 2 und 30 bar über eine Lavaldüse und einen Leitkörper ausgestossen wird, und dass das Heissgas mit einer radial nach aussen ge- richteten Komponente oder mit einem Drall mit die Schallgeschwindigkeit übersteigender 
Geschwindigkeit mit dem Schmelzbad in Kontakt gebracht wird.

Claims (1)

1. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lanze mit der Lavaldüse für das Heissgas konzentrisch in einem Rohr unter Ausbildung eines Ringraumes geführt ist und dass über den Ringraum reaktive Gase, wie z. B. CO, H2, 02 oder H20-Dampf und/oder Inertgase, wie z.B. Nieder Ar angesaugt werden.

   3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den angesaugten Gasstrom reaktive Metallpulver oder Zusätze wie z. B. SiC, Al2O3,oder Y203 aufgegeben werden.

   4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Heissgas in ei- nem die ausgestossenen Schmelzpartikel umgebenden Wärmetauscher erhitzt wird.

   5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlraum aufsteigende Feinstpartikel der erstarrten Schmelze unterhalb der Mündung des Schmel- zestromes abgesaugt und über eine Schleuse ausgetragen werden.

   6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche bis 5 mit einem Schmelzentundish (1) und einem in die Schmelze (2) unter Ausbildung eines die Austritts- öffnung für die Schmelze (2) umgebenden Ringspaltes eintauchenden Tauchrohr (4) und einer Lanze (7) für den Ausstoss von Treibgas, dadurch gekennzeichnet, dass die höhen- verstellbare Lanze (7) eine Lavaldüse (9) trägt und im oder in Strömungsrichtung an- schliessend an den sich erweiternden Mündungsbereich der Lavaldüse (9) ein Leitkörper (10) höhenverstellbar angeordnet ist, wobei der lichte Querschnitt zwischen der Düse (9) und dem Leitkörper (10) in axialer Richtung zum Austrittsende zunehmend und grösser als der engste Querschnitt der Lavaldüse (9) ausgebildet ist.

   7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussen- durchmesser der Lanze (7) kleiner als der lichte Durchmesser des Tauchrohres (4) ausge- bildet ist und die Lanze (7) dichtend durch einen Deckel (6) des Tauchrohres (4) geführt ist und dass an den die Lanze (7) umgebenden Raum (23) des Tauchrohres (4) eine Leitung (24) für die Zufuhr von Gasen oder reaktivem Metallpulver oder Zusätzen mündet.

   8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Leit- <Desc/Clms Page number 5> korper (10) als Kegel mit am Mantel angeordneten Leitflächen ausgebildet ist.

   9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitflächen S-förmig ge- krümmt verlaufen und in Umfangsrichtung mit jeweils gleichem Winkel an die Tangente des Grundkreises des kegelförmigen Körpers gerichtet enden.

   HIEZU 1 BLATT ZEICHNUNGEN