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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines aus oberflächenzerklüfteten, sogenannten spratzigen Teilchen bestehenden Metallpulvers durch Beaufschlagen eines Giessstrahles einer Metallschmelze mit einem flüssigen Medium.
Metallpulver werden überwiegend durch ein Zerteilen einer flüssigen Schmelze in Partikel und ein nachfolgendes Erstarren derselben hergestellt. Als Mittel für eine Desintegration des Flüssigmetalles In kleine Tröpfchen sind gemäss dem Stand der Technik Im Wesentlichen Gas- oder Flüssigkeitsstrahlen bekannt, welche mit hoher kinetischer Energie auf einen Schmeizenstrom einwirken gelassen werden.
Erfolgt eine Beaufschlagung des Schmeizenstromes mit Gas, bilden sich in der Folge auf Grund der Oberflächenspannung des Flüssigmetalles weitgehend runde Tröpfchen, die während ihres Fluges in der Anlage erstarren und In dieser in einem Behälter bereitgestellt werden. Dieses sogenannte gasverdüste Metallpulver, zum Beispiel hergestellt mit einem Verfahren in einer Vorrichtung gemäss EP 1 022 078 A2, mit weitgehend runden, oberflächlich im Wesentlichen glatten Teilchen eignet sich vorzüglich für eine Herstellung von dichten Körpern bzw. Werkstoffen, zum Beispiel durch heissisostatisches Pressen.
Ein oberflächenzerklüftetes, sogenanntes spratziges Pulverkorn entsteht durch eine Zerteilung des Schmelzenstromes mit Flüssigkeiten, insbesondere mit Wasser. Das sogenannte wasserverdüste Metallpulver hat nach einem Trocknen zumeist ein geringeres Schüttgewicht, wobei auch auf Grund der Oberflächenausbildung die Rieseleigenschaften verschlechtert sind. Durch ein Einbrin- gen des Pulvers in eine Form und ein nachfolgendes Pressen desselben kann ein sogenannter Grünling erstellt werden, weicher durch die zerklüftete Oberflächenstruktur der Körner durchgehend porös ist. Dabei besitzt der Grünling oder Pressung vor einem Sintern oft eine gewünschte Stabilität, die eine zerstörungsfreie Manipulation desselben fördert.
Die spratzige Pulverkornform ist vorteilhaft geeignet, aus derartigen wasserverdüsten Pulvern durch Sintern Gegenstände herzustellen, die eine hohe, gegebenenfalls jedoch inhomogen verteilte und zusammenhängende innere Porosität aufweisen.
Ein besonderes Anwendungsgebiet für Gegenstände oder Maschinenteile mit hoher innerer Porosität sind wartungsfreie Gleitlager, bei welchen die Verbindungen aufweisenden Hohlräume mit Schmiermittel gefüllt sind.
Um die Güte und um gewünschte Gebrauchseigenschaften der gefertigten Teile sicherstellen zu können, müssen weitgehend eine homogene Hohlraumausbildung bei guten Presseigenschaften des Pulvers gegeben sein und ein gutes Sinterverhalten des Grünlings vorliegen. Mit anderen Worten : die Pulverkörner sollen eine spratzige Oberflächenstruktur mit möglichst vielen unregelmässigen, gegebenenfalls scharfkantigen Vorsprüngen und im Wesentlichen gleiches und geringes Korngewicht besitzen.
Prinzipiell erfolgt eine Zerteilung eines geschmolzenen Metalles mit Flüssigkeit bzw. eine sogenannte Wasserverdüsung von Metall zu Pulver, indem ein im Wesentlichen senkrechter metallscher Giessstrahl seitwärts nach unten gerichtet mit Wasser beaufschlagt wird (Metall Powder Production and Characterization, ASM Handbook, Volume 7, Powder Metal Technologies and Applications, Seite 35 bis 52). Der Hochdruck- bzw. Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl kann dabei eine ringförmige V-Form oder Kegelform, eine offene V-Form, eine geschlossene V-Form, Pyramidenform oder eine Sonderform besitzen.
Aus der EP 1 182 270 A1 ist beispielsweise eine Einrichtung zum Zerstäuben von flüssigen Medien, insbesondere flüssigen Schmelzen bekannt geworden, bei welcher gasförmiges oder flüssiges Fluid auf einen Flüssigkeitsstrahl gerichtet, vorzugsweise aus einem torusförmigen Düsenkörper ausgestossen werden, wobei eine Mehrzahl von Düsen für das Fluid in Achsrichtung des Flüssigkeitsstahles versetzt unter einem von 90'verschiedenen Winkel auf den Flüssigkeitsstrahl gerichtet angeordnet sind.
Von Bedeutung für die Pulverteilchenausbildung ist der Winkel, mit welchem der Wasserstrahl auf den Metallstrom auftrifft bzw. die senkrechte Geschwindigkeitskomponente auf den Metallstrom. Mit grösser werdendem spitzen Winkel des Wasserstrahles sinkt die mittlere Partikelgrösse des Pulvers. Allerdings ist verfahrenstechnisch einer Vergrösserung des Auftreffwinkels des Wasserstrahles und somit einer Verringerung der Pulverkorngrösse eine Grenze gesetzt, weil sich beim Überschreiten eines bestimmten Anströmwinkels unstabile Zerteilungsbedingungen für das Flüssigmetall bilden, dieses teilweise auf dem Wasserstrahl getragen wird bzw. ein sogenanntes
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"welled-up-water"-Phänomen entsteht.
Ein weiteres Problem stellt die Korngrössenverteilung von wasserverdüsten Pulvern dar, weil der Anteil an kleinen, gegebenenfalls für ein Formspritzen geeigneten Partikeln klein ist und ein aufwendiges Klassieren erfordert.
Um ein hohes Ausbringen an verwendbarem Pulver mit guten Kompaktiereigenschaften und einen niedrigen Sauerstoffgehalt desselben zu erreichen, wurde schon vorgeschlagen (US-4, 191. 516), den Giessstrahl in einem geschlossenen Gefäss in Achsrichtung mit zwei offenen Vförmigen Wasserstrahipaaren zu beaufschlagen, wobei diese mit einem Winkel von ca. 90 zuein- ander verdreht sind. Das erste Wasserstrahipaar weist dabei einen grösseren spitzen Winkel zur Achse des Giessstrahles auf, trifft diesen früher und formt diesen zu einem Band. Das folgende Wasserstrahlpaar bewirkt eine Zerteilung des Giessstrahlbandes in Tröpfchen.
Mit einer derartigen Einrichtung kann zwar eine gewisse Verbesserung der Pulvergüte erreicht werden, allerdings sind die Grösse der Pulverkörner uneinheitlich, der Anteil an kleinen, unregelmässigen und spratzigen Pulverkörnern ist gering und es ergeben sich zumeist nicht ausreichend gute Sintereigenschaften.
Die Erfindung setzt sich zum Ziel, die gegebenen Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem Metallpulver mit in engen Grenzen vorliegenden geringen Korngewichten bzw. einem hohen Anteil an kleinen Pulverkörnern und verbesserter scharfkantiger bzw. spratziger Oberflächenform herstellbar ist, welches Pulver günstigere Verarbeitungseigenschaften und höhere Güte der daraus gesinterten Teile erbringt.
Dieses Ziel wird nach der Erfindung bei einem gattungsgemässen Verfahren dadurch erreicht, dass jeweils mit getrennten Beaufschlagungssystemen in einem ersten Schritt der Giessstrahl in seiner Fliessrichtung abgelenkt und oberflächenvergrössert wird, worauf in einem zweiten Schritt eine abermalige Fliessrichtungsablenkung des oberflächenvergrösserten Giessstrahles mit einer Zerteilung desselben und eine Beschleunigung der gebildeten Flüssigmetallpartikel erfolgen und in einem dritten Schritt die bewegten Flüssigmetallpartikel mit einem Winkel von y = 10 bis 90 zur Bewegungsrichtung derselben mit einem zumindest teilweise mit flüssigem Medium gebildeten Hochgeschwindigkeitsstrom beaufschlagt, zerteilt und die Teilchen erstarren gelassen werden.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind im Wesentlichen darin zu sehen, dass die Einbringung von spezifischer Desintegrationsenergie in das Flüssigmetall entscheidend vergrössert werden kann und dadurch die Partikelgrösse, die Oberflächenausbildung sowie die Spratzigkeit und die Homogenität des Korngewichtes des Pulvers verbessert sind. Es wurde gefunden, dass bei einer Ablenkung des Giessstrahles aus einer Fliessrichtung durch eine einseitige Beaufschlagung besonders günstig eine Oberflächenvergrösserung und Ausdünnung desselben bewirkt werden kann. Die Fliessrichtung des noch im Wesentlichen zusammenhängenden Metallstromes wird nachgeordnet abermals durch eine einseitige Beaufschlagung, vorzugsweise von einer der ersten Ablenkung gegenüber liegenden Seite, geändert.
Dabei erfolgt, begünstigt durch die vergrösserte Oberfläche des gedünnten Metallstromes eine Zerteilung desselben in Flüssigkmetallpartikel, welche durch die Strömung des Beaufschlagungsmittels auch beschleunigt werden. Derart besitzen die Flüssigmetallpartikel eine hohe kinetische Energie beim Zusammentreffen mit dem zumindest teilweise mit flüssigem Medium gebildeten Hochgeschwindigkeitsstrom und werden in diesen gleichsam hineingeschossen, wodurch auch das "welled up-water"-Phänomen unterdrückt ist. Mit anderen Worten : Durch ein in der Abfolge gegebenes Zusammenwirken der Beeinflussung des Giessstrahles bzw.
Metallstromes und zwar in den ersten zwei Schritten durch eine Ablenkung und Vergrösserung des Querschnittes des Giessstrahles und danach durch eine Fliessrichtungsablenkung, Zerteilung und Beschleunigung der gebildeten Flüssigmetallpartikel, kann im Folgeschritt ein grosser Beaufschlagungswinkel des flüssigen Hochgeschwindigkeitsstromes angewendet werden, ohne dass das sogenannte "welled up-water"-Phänomen entsteht. Diese Gegebenheiten bewirken einerseits eine effektvolle Desintegration der Flüssigmetallpartikel in kleine, weitgehend gleichgewichtige Teilchen, andererseits eine vorteilhafte Oberflächenform der aus den Teilchen erstarrten Pulverkörner.
Besonders wirkungsvoll, insbesondere bei hoher Überhitzung des Metalles vom Giessstrahl, kann das Verfahren durchgeführt werden, wenn eine Ablenkung des Giessstrahles und eine Oberflächenvergrösserung desselben im ersten Verfahrensschritt und/oder eine Ablenkung des oberflächenvergrösserten Giessstrahies und dessen Zerkleinerung sowie eine Beschleunigung der gebildeten Flüssigmetallpartikel im zweiten Verfahrensschritt mit (einem) zumindest teilweise mit flüssigem
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Medium gebildeten Strömen (Strom) erfolgen.
Wenn gemäss einer Ausführungsform der Erfindung eine Ablenkung von der Fliessrichtung und eine Oberfächenvergrösserung des Giessstrahles im ersten Verfahrensschritt mit einem Gasstrom erfolgen, wird eine vergleichsweise geringere Abfuhr von Wärmeenergie aus dem Flüssigmetall erreicht bzw. ein Abbau der Überhitzung verringert, wodurch eine Zerteilung in Flüssigmetallparti- kel mit geringer Viskosität gefördert werden kann.
Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist von Vorteil, wenn eine Ablenkung des oberflächenvergrösserten Giessstrahles und dessen Zerteilung sowie eine Beschleunigung der dabei gebildeten Flüssigmetallpartikel im zweiten Verfahrensschritt mit einem Gasstrom erfolgen. Diese Massnahme erbringt eine geringere Erniedrigung der Temperatur im oberflächennahen Bereich der Metallpartikel, insbesondere bei der Beschleunigung derselben und intensiviert beim Auftreffen und/oder Eintauchen in den mit flüssigem Medium gebildeten Hochgeschwindigkeitsstrom im dritten Verfahrensschritt ein Zerklüften bzw. Spratzigwerden der Oberfläche der Pulverkörner.
Es wird angenommen, dass diese günstige Wirkung durch einen verbesserten Oberflächenkontakt zwischen dem Metall mit hohem Flüssigkeitsgrad bzw. mit erhöhter Überhitzung und dem Flüssigmedium erbracht wird.
Obwohl sich bei Verfahren gemäss dem Stand der Technik hohe Überhitzungen des Metalles, welche jedoch reaktionskinetische und wirtschaftliche Nachteile erbringen können, oftmals günstig auf die Pulverkornform auswirken, ist beim erfindungsgemässen Verfahren vorteilhaft, wenn der Metallschmelze des Giessstrahles eine derartige Überhitzung erteilt und für die Zerteilung desselben eine solche aufrechterhalten wird, dass bei einer Beaufschlagung der im zweiten Verfahrensschntt gebildeten Flüssigmetallpartikel mit einem Hochgeschwindigkeitsstrom mit zumindest teilweise flüssigem Medium, Im dritten Verfahrensschritt in den Metallpartikeln ohne Temperaturausgleich über den Querschnitt eine Oberflächentemperatur von höher als der Solidus-Temperatur der Legierung entspricht, vorliegt.
Dabei liegt die Schlussfolgerung nahe, dass dieser Vorteil mit der Einbringung von vergrösserter spezifischer Desintegrationsenergie in das Flüssigmetall im Zusammenhang steht, wobei unter spezifischer Desintegrationsenergie die wirksame Energie für eine Zerteilung und Beaufschlagung des Metalles Je Gewichtseinheit desselben zu verstehen ist.
Vollkommen überraschend für den Fachmann, der das "welled-up-water"-Phänomen kennt, war, dass bei Verwendung des erfindungsgemässen Verfahrens der spitze Anströmwinkel des Metallflusses wesentlich vergrössert werden kann. Besonders gute Pulverqualität wird dabei erreicht, wenn der beschleunigte Flüssigmetallpartikelstrom mit einem Winkel y von grösser als 45 durch den Hochgeschwindigkeitsstrom beaufschlagt wird.
Für den Erhalt von möglichst gleichgewichtigen Pulverkörnern kann es günstig sein, wenn der Flüssigmetallpartikelstrom durch einen Hochgeschwindigkeits-Flachstrom mit zumindest teilweise flüssigem Medium beaufschlagt und zerteilt wird.
Bel einer Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung hat es sich als vorteilhaft im Hinblick auf ein hohes Ausbringen an Pulver mit kleinen Körnern in spratziger Form erwiesen, wenn die Zerteilung und Beschleunigung der Flüssigmetallpartikel im zweiten Verfahrensschritt entlang einer Wegstrecke von mindestens dem Durchmesser des Giessstrahles mal 10 erfolgt und dass eine Beaufschlagung durch den Hochgeschwindigkeitsstrom und die Zerteilung aus kurzer Entfernung mit einem Düsenabstand von weniger als dem Durchmesser des Giessstrahles mal 8 durchgeführt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnung erläutert.
Wie in schematischer Darstellung aus der Zeichnung Fig. 1 entnehmbar ist, befindet sich in einem metallurgischen Gefäss 1 eine überhitzte Schmelze, die durch einen Düsenstein 11 einen Giessstrahi 2 mit einem Durchmesser D bildend aus diesem in vertikaler Richtung austritt.
Eine Einrichtung 3, die in vorteilhafter Weise als Flachstrahl-Düseneinrichtung ausgebildet ist, beaufschlagt in einem ersten Verfahrensschritt den senkrechten Giessstrahl 2 in einem spitzen Winkel (x mit einem Ablenkungsmedium 31, z. B. Wasser, Wasser-Gas-Gemisch oder Gas, wobei der G ! essstraht 2 im Bereich 32 derart angeströmt wird, dass dieser oberflächenvergrössernd gebreitet wird.
Der gebreitete Giessstrahl 21, der weitgehend bzw. in grossen Bereichen noch zusammenhängend ausgebildet ist bzw. verläuft, wird in der Folge von einem Beaufschlagungssystem 4 mit
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einem vorteilhaft mit breiter Form ausgebildeten Mediumsstrahl 41 mit einem spitzen Winkel ss angeströmt. Bei einem Aufeinandertreffen von gebreitetem Giessstrahl 21 und Mediumsstrahl 41 gemäss dem zweiten Verfahrensschritt im Bereich 42 erfolgen eine abermalige Ablenkung des verbreiterten Giessstrahles 21 und eine Zerteilung desselben in Flüssigmetallpartikel 22. Weiters werden mittels des Mediumsstrahles 41 die Flüssigmetallpartikel 22, wie durch das Symbol V dargelegt ist, beschleunigt.
Die beschleunigten Flüssigmetallpartikel 22 werden in der Folge im Bereich 52 in einen flachen Hochgeschwindigkeitsstrom 51, der mit einem Winkel Y zur Flugbahn der Metallpartikel 22 gerichtet ist, eingebracht bzw. eingeschlossen. Eine hohe kinetische Energie der Flüssigmetallpartikel 22 einerseits und der zumindest teilweise mit flüssigem Medium gebildete Hochgeschwindigkeitsstrom 51 andererseits führen zu hohen Werten der spezifischen Desintegrationsenergie des Metalles und dadurch bei hoher Leistung zu weitgehend gleich kleinen Partikeln mit einer hohen Spratzigkeit der einzelnen Pulverkörner. Der Bereich 53 des Beaufschlagungssystemes 5 weist, verursacht durch den Medienstrahl 41, einen erhöhten Druck auf und verhindert eine Ablagerung von Flüssigmetalltröpfchen auf des Systemkomponenten 5.
Versuche haben gezeigt, dass auch durchaus vorteilhaft die Medienstrahlen 31 und 41 des ersten und zweiten Verfahrensschrittes mit Gas, vorzugsweise Stickstoff, gebildet sein können, wobei eine Gasbeaufschlagung in der Vorbereitung des Metallstromes zur Pulverkornzerteilung eine geringere oberflächliche Abfuhr von Überhitzungswärme von den Metallpartikeln und eine vermehrte Spratzigkeit der Kornoberfläche des Pulvers bei erhöhter Wirtschaftlichkeit erbringen können.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung eines aus oberflächenzerklüfteten, sogenannten spratzigen Teil- chen bestehenden Metallpulvers durch Beaufschlagung eines Giessstrahies einer Metall- schmelze mit einem flüssigen Medium, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mit ge- trennten Beaufschlagungssystemen in einem ersten Schritt der Giessstrahl in seiner Fliess- richtung abgelenkt und oberflächenvergrössert wird,
worauf in einem zweiten Schritt eine abermalige Fliessrichtungsablenkung des oberflächenvergrösserten Giessstrahles mit einer
Zerteilung desselben und eine Beschleunigung der gebildeten Flüssigmetallpartikel ent- lang einer Wegstrecke erfolgen und in einem dritten Schritt die bewegten Flüssigmetallpar- tikel mit einem Winkel Y von 10 bis 90 zur Bewegungsrichtung derselben mit einem zu- mindest teilweise mit flüssigem Medium gebildeten Hochgeschwindigkeitsstrom beauf- schlagt, zerteilt und die Teilchen erstarren gelassen werden.