AT413702B - Verfahren zum herstellen von erzeugnissen aus metall - Google Patents

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Description

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AT 413 702 B
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Erzeugnissen aus Metall, insbesondere Pulvern, Folien, Beschichtungen und Formteilen, wie Bolzen, Rohre oder Bleche, aus Metallen in Form von Halbzeug. 5 Die werkstofftechnischen Eigenschaften reaktiver Metalle, wie Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Rhenium und ihrer Legierungen sowie von Superlegierungen (Legierungen auf Basis von Nickel oder Kobalt), werden entscheidend durch ihre Reinheit, insbesondere durch die Abwesenheit von Oxiden und keramischen Verunreinigungen bestimmt. Wegen der hohen Schmelzpunkte der genannten Metalle und Legierungen io und der mechanischen Eigenschaften sind Umformverfahren und Verfahren zur spanabhebenden Formgebung sehr aufwendig.
Aus der US 6,043,451 A ist ein Verfahren zum Plasmabeschichten von Bauteilen und zum Sprühkompaktieren von Folien aus Nickel-Titan-Legierungen bekannt. Das Metall wird bei dem 15 aus der US 6,043,451 A bekannten Verfahren einem Plasmabrenner als Pulver oder Draht zugeführt. Das Herstellen von Pulver und Draht ist sehr aufwändig und teuer und erfordert mindestens eine Fertigungsstufe ausgehend von (großformatigem) Halbzeug. Bei pulverförmigem Metall besteht wegen der großen Oberfläche zusätzlich die Gefahr der Aufnahme von Sauerstoff. 20
Nachträglich bei dem aus der US 6,043,451 A bekannten Verfahren ist die durch die Radialsymmetrie des Plasmabrenners bedingte Ausbildung eines kegelförmigen Sprühstrahles aus geschmolzenem Metall, wodurch breitere Folien oder Beschichtungen nur durch Überlappen mehrerer Sprühkegel bzw. mehrmaliges Besprühen mit demselben Sprühkegel erzeugt werden 25 können. Die so erzeugten Schichten haben ein ungewünschtes, inhomogenes Oberflächenprofil (vgl. Fig. 2a). Die Produktionsleistung ist mit nur 3 kg/h (50g/min) sehr klein und somit für das Erzeugen dickerer Folien oder Beschichtungen oder von Halbzeugen, wie Bolzen, Rohren oder Blechen, wenig geeignet. ___________ 30___Das^Zerstäuben von Flüssigkeiten durch Gasverdüsung ist bekannt.
Beispielsweise ist aus der DE 197 58 111 A1 ein Verfahren zum Herstellen von Metallpulvern bekannt. Bei diesen bekannten Verfahren tritt die Metallschmelze in Form eines Films aus einer Schmelzdüse mit schlitzförmiger Austrittsöffnung aus. Der Film wird von einer laminaren Gas-35 Strömung in einer Laval-Gasdüse stabilisiert und anschließend fein zerstäubt. Die Produktivität des Düsensystems kann durch Verlängern des Düsenschlitzes ohne nachteilige Auswirkungen auf die Pulverqualität beliebig verändert werden. Beim Schmelzen in Behältern besteht jedoch grundsätzlich die Gefahr der Verunreinigung des erhaltenen Metallpulvers durch Werkstoffe des Behälters. 40
Aus der DE 41 02 101 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem Metalle in Form einer vertikal angeordneten Stange mit radial symmetrischen Querschnitt unter inerter Atmosphäre durch Induktion am unteren Ende abgeschmolzen werden. Die Schmelze tropft unter dem Einfluss der Schwerkraft und des elektromagnetischen Drucks (resultierend aus der Induktionsspule) ab. Die 45 Tropfen werden dann durch einen aus einer Ringspaltdüse austretenden Gasstrom zu einem relativ groben Pulver mit einer mittleren Korngröße von etwa 50 pm mit breiter Korngrößenverteilung zerstäubt. Die Metallstange wird während des Abschmelzens um ihre Längsachse gedreht und entsprechend dem Verzehr in die Induktionsspule nachgeführt. Dazu ist ein aufwändiger Antrieb erforderlich. Der Gasverbrauch je Kilogramm Metallpulver ist hoch. Feine Pulver so mit einer Korngröße unter 30 pm können nur mit geringer Ausbeute hergestellt werden. Die Gesamtproduktivität des aus der DE 41 02 101 A bekannten Verfahrens ist mit etwa 20kg/Stunde gering und kann nicht ohne Qualitätseinbußen des Pulvers erhöht werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten 55 Gattung bereit zu stellen, mit dem ein direktes Überführen von Metall, das in Form kommerziell 3
AT 413 702 B erhältlicher Halbzeuge vorliegt, in Pulver, Metallfolien, Oberflächenbeschichtungen oder anders-formatige Erzeugnisse (Halbzeuge) mit hoher Produktivität kostengünstig und ohne die Gefahr des Einbringens von Verunreinigungen möglich ist. 5 Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, welches die Merkmale vom Anspruch 1 aufweist.
Vorteilhafte und bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche. 10
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Metall in Form eines handelsüblich erhältlichen Halbzeuges, das beispielsweise die Form eines Quaders hat, berührungslos aufgeschmolzen und zu einem linearen, insbesondere keilförmigen Sprühstrahl verdüst. Dieser Sprühstrahl wird benützt, um das gewünschte Erzeugnis aus Metall durch Sprühkompaktieren zu erzeugen, 15 indem beispielsweise Oberflächen beschichtet oder Halbzeuge, wie Folien, Bleche oder Bolzen, hergestellt werden.
Insbesondere kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Metall des Halbzeuges geschmolzen, zerstäubt, auf einen Träger gesprüht und auf dem Träger verfestigt werden. 20
In einer zum Herstellen von Metallpulvem bestimmten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Halbzug, z.B. ein Bolzen, des Metalls, das eine im wesentlichen rechteckige Querschnittsform aufweist, induktiv an der Oberfläche seiner beiden Längsseiten seiner Stirnseite aufgeschmolzen werden. Die abzuschmelzende Stirnseite befindet sich innerhalb der 25 laminaren Gasströmung einer linearen Düse. Die beiden Hälften der linearen Venturi-Düse bestehen aus einem nicht an das Magnetfeld der Induktionsheizung ankoppelnden Werkstoff.
In einer Ausführungsform sind in die Venturi-Halbdüse Rohre aus Metall, vorzugsweise Kupfer, eingelassen, welche als Leiter für den induktiven Erregerstrom bei gleichzeitiger Kühlung durch ”30—ein Kühlflüidrbeispielsweise Wasser. dienenT Die~Röhre~sind~beispielsweise jeweils an den Enden der Venturi-Halbdüse über weitere Rohre miteinander verbunden.
Bei dieser Ausführungsform streicht die Gasströmung über die schmelzende Oberfläche den Bolzen und fördert die Schmelze in Form eines sehr dünnen Films zur Bolzenspitze. Hier verei-35 nigen sich beide Filme und der entstehende Flüssigkeitsfilm wird weiter von der laminaren Gasströmung stabilisiert, beschleunigt und schließlich zu feinen Tröpfchen zerstäubt. Bei der Erfindung muss der Flüssigkeitsfilm nicht mit einer nach unten gerichteten Bewegung aus der Düse austreten. Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet unabhängig von der Lage, also nicht nur vertikal nach oben, sondern auch horizontal oder vertikal nach unten, sowie in jeder ande-40 ren Ausrichtung.
Die Führung des Flüssigkeitsfilmes, insbesondere der Metallschmelze durch die Gasströmung ist stärker als die auf die Schmelze wirkende Schwerkraft. Die Unabhängigkeit der Lage der Zerstäubungsdüse gibt dem Konstrukteur von Düsungsanlagen gemäß der Erfindung gestalte-45 rische Freiheitsgrade, die in iner Verringerung der Bauhöhe der Anlage genutzt werden können.
Weitere Einzelheiten und Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigt Fig. 1 schematisch eine Anordnung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 2a eine Be-50 Schichtung, die nach dem Stand der Technik (US 6,043,451 A) erhältlich ist, und Fig. 2b eine Beschichtung, wie sie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist.
Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung ist eine beispielsweise Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Folie aus Metall. 4
AT 413 702 B
Diese Anordnung besteht aus einer länglichen (linearen) Gasdüse 1, in der wassergekühlte Kupferrohre 2 angeordnet sind. Die Kupferrohre 2 dienen dazu, ein induktives Magnetfeld zu erzeugen. Das zu verarbeitende Halbzeug 3 aus Metall mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt wird in die langgestreckte Eingangsöffnung der Gasdüse 1 eingeführt und unter Wirkung 5 des induktiven Magnetfeldes berührungslos an seinen Längsseiten geschmolzen.
Eine durch eine nicht näher gezeigte Einrichtung auf die langgestreckte Mündung der Gasdüse 1 gerichtete Gasströmung 4, die bevorzugt symmetrisch ist, also von beiden Seiten des Halbzeuges 3 in die Gasdüse 1 gerichtet wird, nimmt das geschmolzene Metall mit und fördert es io unter Ausbildung eines dünnen Filmes 5 durch Mündung der Gasdüse 1. Die bei der Erfindung verwendete Gasdüse 1 kann als Laval-Düse oder als Venturi-Düse ausgebildet sein. Nach dem Durchtritt durch die engste Stelle der Gasdüse 1 (langgestreckte Mündung derselben) wird der Film 5 aus Metallschmelze zu einem linearen keilförmigen, im wesentlichen zeltförmigen Sprühstrahl 6 zerstäubt. Der Sprühstrahl 6 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel auf ein endloses und 15 gekühltes Metallband 7 als Träger gerichtet.
Die Tröpfchen geschmolzenen Metalls sind zum Zeitpunkt des Auftreffens auf das Metallband 7 flüssig oder noch wenigstens teilweise flüssig und erstarren zu einer Metallfolie 8 mit homogener Oberfläche (ausgenommen die beiden Ränder). Die Metallfolie 8 kann nach ihrem vollstän-20 digen Erstarren, das durch erzwungenes Abkühlen unterstützt werden kann, und Ablösen vom Metallband 7 zu einer Folienrolle 9 aufgewickelt werden.
Durch Anpassen der Länge des Sprühstrahles 6 über die gesamte (ganze) Breite der Oberfläche des Trägers 7, z.B. des endlosen Metallbandes 7 oder des Halbezuges - mit Ausnahme der 25 beiden Ränder - kann Metall in gleichmäßiger Dicke auf den Träger 7 aufgebracht werden.
Fig. 2a zeigt das Sprühergebnis mit einer konventionellen Runddüse (vgl. US 6,043,451 A), bei dem mehrere Metallraupen 1 bis 4 nebeneinander gesprüht werden. Fig. 2b zeigt eine Metallfo-lie 8, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist. bei derti in einem einziger gerTSprühvorgang eine gleichmäßig dicke Metallschicht (Folie 8) entsteht.
Die Produktivität des Verfahrens der Erfindung läßt sich über die Länge des Sprühstrahls sowie über die Abschmelzheizleistung der Induktionsheizung beliebig einstellen. 35 Das als Rohmaterial in Form von Halbzeug bevorzugt zugefügte Metall wird in einem Arbeitsgang ins Endprodukt übergeführt, kommt daher nur mit dem Verdüsungsgas in Berührung und kann, wenn die Reinheit der Gasatmosphäre hoch genug ist, ohne Zunahme an Verunreinigungen in das Erzeugnis aus Metall übergeführt werden. 40 Bei dem erfindungsgemäß Verfahren wird in einer Ausführungsform reaktives Metall oder Legierung durch Sprühkompaktieren thermisch verdichtet, wobei das Ausgangsmaterial in Form eines Halbzeuges berührungslos, insbesondere induktiv abgeschmolzen und zu einem linearen, keilförmigen Sprühstrahl zerstäubt wird. Die Teilchen des Sprühstrahls werden auf einem Substrat zu einem Erzeugnisses sprühkompaktiert oder als Oberflächenbeschichtung auf ein Bau-45 teil aufgebracht. Mit dem erfindungsgemäß Verfahren können beliebige Metalle, insbesondere reaktive Metalle, wie Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Rhenium oder eine Legierung auf Basis dieser Metalle, verarbeitet werden.
Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren für das Verarbeiten einer Nickel-Titan-50 Legierung oder einer Superlegierung auf Basis von Nickel oder Kobalt geeignet.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das zu verarbeitende Halbzeug ein Verbundwerkstoff aus hochschmelzenden Phasen und niedrigschmelzender Bindematrix. Die hochschmelzende Phase kann ein Carbid sein. 55

Claims (6)

  1. 5 AT 413 702 B Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können unter anderem Erzeugnisse in Form von Folien, Blechen, Rohren oder Bolzen hergestellt werden. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass sich die Reinheit des Erzeugnisses 5 nur geringfügig von der Reinheit des Ausgangsmaterials (Halbzeug) unterscheidet. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht die Möglichkeit, die Produktivität je Längeneinheit des Sprühstrahls über die zugeführte Heizleistung (induktive Heizung) stufenlos zu regeln. io Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht auch die Möglichkeit, nacheinander mehrere langgestreckte Sprühstrahlen auf ein und dassselben Substrat zu sprühen, um eine höhere Schichtdicke zu erzielen. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zusätzlich zu dem Sprüh-15 strahl aus geschmolzenem Metall in Form von Tröpfchen über eine weitere Düse Dispersoide gezielt eingebracht. Solche Dispersoide können beispielsweise sein: Siliziumcarbid, Wolfram-carbid, Korund (Al203) oder Zirkoniumoxid. Zweck des Zusatzes solcher Dispersoide und anderer Zusatzstoffe, die auch flüchtig sein können, ist es, die Eigenschaften des Verfahrensproduktes in die gewünschte Richtung zu beeinflussen. 20 Um das Ablösen des Erzeugnisses vom Träger (Substrat) zu vereinfachen, kann auf das Substrat vor dem Sprühkompaktieren ein Trennmittel aufgebracht werden. Zusammenfassend kann ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wie folgt dargestellt werden: 25 Zum Herstellen von Erzeugnissen aus Metall, wie Pulvern, Folien, Beschichtungen und Formteilen, wie Bolzen, Rohren oder Blechen aus Metall in Form von Halbzeug, wird das Metall des Halbzeuges durch ein induktives Magnetfeld geschmolzen, zerstäubt, auf einen Träger gesprüht und auf dem Träger verfestigt. Das geschmolzeneJMetallI wird jn^eineLGasdüse -1·,·die 30 entweder als Laval-Düse oder-als-Venturi-Düse ausgebildet ist, zerstäubt, indem der Gasdüse 1 ein Gasstrom 4 zugeführt wird, wobei ein langgestreckter Sprühstrahl 6, der eine Breite hat, die wenigstens so groß ist wie die Breite des herzustellenden Erzeugnisses 8, erzeugt wird. 35 Patentansprüche: 1. Verfahren zum Herstellen von Erzeugnissen aus Metall, wie Pulvern, Folien, Beschichtungen und Formteilen, wie Bolzen, Rohren oder Blechen aus Metall in Form von Halbzeug, bei dem das Metall des Halbzeuges geschmolzen, zerstäubt, auf einem Träger gesprüht 40 und auf dem Träger verfestigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das geschmolzene Metall zu einem langgestreckten Sprühstrahl, der eine Breite hat, die wenigstens so groß ist wie die Breite des herzustellenden Erzeugnisses, zerstäubt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das geschmolzene Metall zu 45 einem keilförmigen Sprühstrahl zerstäubt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das geschmolzene Metall in einer Gasdüse zu dem Sprühstrahl zerstäubt wird, indem der Gasdüse ein Gasstrom zugeführt wird. 50
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Gasdüse eine Laval-Düse oder eine Venturi-Düse verwendet wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall im 55 Bereich der Gasdüse berührungslos aufgeschmolzen wird. 5 10 15 20 25 ---30 - 35 40 45 50 6 AT 413 702 B
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall durch ein induktives Magnetfeld aufgeschmolzen wird. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass verfestigtes Metall vom Träger als Metallfolie entfernt wird. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das verfestigte Metall auf dem Träger eine auf diesem verbleibende Beschichtung bildet. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Sprühkom-paktieren von Metall wiederholt wird, um höhere Schichtdicken des Erzeugnisses zu erzielen. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Nickel-Titan-Legierung verarbeitet wird. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Metall aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Kupfer, Aluminium, Zink, Zinn, Titan, Zirkonium, Harfnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Rhenium oder eine Legierung auf Basis von wenigstens zwei dieser Metalle verarbeitet wird. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zu verarbeitende Metall eine Superlegierung auf Basis von Nickel oder Kobalt ist. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das zu verarbeitende Metall ein Verbundwerkstoff aus einer hochschmelzenden Phase und einer niedrigschmelzenden Bindematrix ist. 14. Verfahren nach Anspruch A 3, dadurch gekennzeichnet;Häss die hochschmelzende Phase -------ein'Cärbid, Oxid oder Nitrid ist. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Sprühstrahl aus geschmolzenem Metall in Form von Tröpfchen aus einer weiteren Düse Dispersoide eingebracht werden. 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Dispersoide Carbide, Oxide und/oder Nitride eingebracht werden. 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass beim Herstellen von Halbzeug vor dem Sprühkompaktieren auf den Träger ein Trennmittel aufgebracht wird. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 55
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