CN1290654C - 制造由不规则的颗粒组成的金属粉末的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种包括不规则颗粒组成的金属粉末的制造。为了促进在一窄的重量级别内的粉末颗粒的不规则表面形状和为了达到在烧结物内的均匀分布的多孔性，按本发明设想，在第一个步骤中改变浇注流束的方向并扩大其表面积，在第二个步骤中使浇注流束再次偏转方向，同时使其分裂，并加速所形成的液态金属颗粒，在第三个步骤中用至少部分由液体介质形成的高速流以一相对于液态金属颗粒运动方向成10°或90°的角度对液态金属颗粒加载作用和使其分裂并固化。为了降低金属熔体的过热和/或改善金属粉末的质量，按本发明还设想，用加热的气体或气体混合物的高速流进行第一个步骤，和/或在第二个步骤中使浇注流束偏转和分裂以及加速液态金属颗粒。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于通过用一种流体介质向金属熔体浇注流束加载作用的方法制造由表面开裂(zerklüften)的所谓的喷溅/不规则(spratzig)颗粒组成的金属粉末的方法。
背景技术
金属粉末主要通过将液态熔体分散成颗粒并接着使其固化的方法制造。按照现有技术作为用来将液态金属分裂成小滴的工具主要是气体或液体射束，使射束以高的动能作用在熔体流上。
如果用气体对熔体流加载作用，由于液态金属的表面张力便形成基本上为圆形的小滴，它们在其在设备中飞行时固化，并在设备内存放在一容器中。这种所谓的喷气处理(gasverdüst)(通过喷水而微粒化)的具有主要为圆形的、表面基本上光滑的颗粒的金属粉末尤其适合于例如通过高温等静压制来制造致密的物体或材料。
通过用液体，特别是用水，分裂熔体流形成表面开裂的所谓不规则颗粒粉末。这种所谓的喷水处理(wasserverdüst)的金属粉末在干燥后大多具有较小的松装比重，其中由于表面结构其流动性能也变差，通过将粉末装入一模具并随后压缩该粉末，可以制成所谓的压坯(Grünling)，由于颗粒开裂的表面结构压坯是完全多孔的，这里压坯或压制坯在烧结以前常常具有希望的稳定性，需要对压坯进行无损坏的操作。这种不规则粉末颗粒形状有利地适合于，由这种类型的喷水处理粉末通过烧结制造具有高的、但是在某些情况下分布不均匀并相互关联的内部多孔性的物体。
具有高的内部多孔性的物体或机器零件的一个特别的应用领域是不需维护的滑动轴承，其中连通的空腔可以充满润滑剂。
为了能够确保制成的零件的质量和希望的使用性能，在粉末具有良好的压制性能的同时必须通常还具有均匀的空腔结构，并且压坯具有良好的烧结性能。换言之，粉末颗粒应该具有带尽可能多的不规则的、在某些情况下锐边形的凸起的不规则表面结构，并具有基本上相同和小的颗粒重量。
原则上通过用液体从侧面朝下加载作用一基本上铅垂的金属浇注流束的方法(Metall Powder Production and Characterization，ASMHandbook，第7卷，Powder Metal Technologies and Applications，第35至52页)，用液体分裂熔融的金属，或者说进行所谓的喷水处理，使金属变成粉末。这里高压和高速水束可以具有圆环形的V形或圆锥形，开口的V形，封闭的V形，圆锥台形或一种特殊的形状。对于粉末颗粒的形成重要的是水束到达金属流上的角度或者说在金属流上的垂直速度分量。随着水束夹角的变大，粉末的平均颗粒尺寸减小。然而在工艺方面水束冲射角的加大和由此粉末颗粒尺寸的减小有一个限度，因为在超过规定的冲射角时形成对于液态金属不稳定的分裂条件，液态金属部分被水束携带，或者形成所谓的“welled-up-water(涌水)”的现象。
另一个问题是喷水处理的粉末的颗粒大小的分布，因为在某些情况下适合于压成型(压铸)的小的颗粒的份额是小的，需要麻烦的分级。
为了达到可使用的具有良好压制性能和低的氧含量的粉末高的产出量，有人建议(US-4191516)，在一封闭容器内沿轴向用两个开口V形水束对加载作用浇注流束，其两个水束对相互转过一约90°的角度。其中第一水束对相对于浇注流束的轴线具有较大的锐角，较早到达浇注流束，并使浇注流束形成一条带。后面的水束对使浇注流束带分裂成小滴。用这种类型的装置虽然可以实现粉末质量一定程度的改善，然而粉末颗粒的尺寸不一致，小的不规则喷溅粉末颗粒的份额小，多数情况下得不到足够好的烧结性能。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术具有的所述缺点，并提供一种开头所述类型的方法，用这种方法可以制造具有处于窄的界限内的小的颗粒重量或者说具有高份额的小的粉末颗粒和更好的锐边形的或不规则的表面形状的金属粉末，这种粉末导致较有利的加工性能和由这种粉末烧结的零件的更高的质量。
按照本发明这个目的用这一类的方法通过这样的途径实现，即在第一步中使浇注流束在其流动方向上发生偏转，并使其表面积扩大，接着在第二步中表面积扩大的浇注流束再一次偏转流动方向，并进行浇注流束的分裂和形成的液态金属颗粒的加速，在第三步中用一至少部分由液体介质形成的高速流以与其运动方向成一γ＝10°至90°的角度对运动的液态金属颗粒加载作用并使其分裂，以及使颗粒固化。
用本发明达到的优点主要在于，可以决定性地增大引入液态金属的专门的分裂能量，并由此改善粉末的颗粒大小、表面结构以及不规则性和颗粒重量的均匀性。已经发现，在通过单侧加载作用使浇注流束偏离流动方向时，可以特别有利地促使浇注流束表面积扩大并使浇注流束变稀薄。基本上还是连续的金属流的流向在后面再一次通过单侧的—尤其是从与第一偏转相对的一侧—加载作用而改变。这时受益于稀薄的金属流的扩大的表面积使金属流分裂成液态金属颗粒，所述颗粒还通过加载作用介质的流动而加速。因此液态金属颗粒在与至少部分由液体介质形成的高速流相遇时具有大的动能，并如同是射入高速流中，从而抑制“welled up water”现象。换言之，通过一对浇注流束或金属流的控制的顺序发生的所述共用作用，即在开头两个步骤中通过偏转和浇注流束横截面的扩大和此后通过所形成的液态金属颗粒的流动方向偏转、分裂和加速，在下一个步骤中可以采用大的液体高速流加载作用角，而不产生所谓的“welled up water”现象。这种状况一方面促使液态金属颗粒有效地分裂成小的基本上等重的颗粒，另一方面造成由颗粒固化而成的粉末颗粒的有利的表面形状。
特别是在浇注流束的金属具有高过热时，如果用至少部分由流/液体介质形成的流实现第一个步骤中浇注流束的偏转和其表面积的扩大和/或第二个步骤中的表面积扩大的浇注流束的偏转及其分裂以及形成的液态金属颗粒的加速，那么本方法可以特别有效地实现。
如果按照本发明的一种实施形式在第一个步骤中用气流实现浇注流束流动方向的偏转和表面积的扩大，那么实现从液态金属中散失比较少的热能，或者说减小过热量的下降，由此可以促使分裂成具有小的粘度的液态金属颗粒。
按照本发明另一种方案，如果用气流进行在第二个步骤中表面积扩大的浇注流束的偏转和浇注流束的分裂以及此时形成的液态金属颗粒的加速，则是有利的。这个措施带来在金属颗粒表面附近区域内温度降低的减小，特别是在金属颗粒加速时，并且在第三个步骤中在击中和/或进入由液体介质构成的高速流时加剧粉末颗粒表面的开裂和变得不规则。可以认为，这种有利的效果是通过具有高的流动性和加大的过热量的金属和液体介质之间改善了的表面接触实现的。
虽然用按现有技术的方法金属的高过热常常对粉末颗粒形状产生有利作用，但是它可能带来反应动力学(reaktionskinetisch)上和经济性方面的缺点，按本发明的方法中，如果使浇注流束的金属熔体具有并为了金属熔体的分裂而保持这样一种过热，使得在以一至少部分由液体介质形成的高速流给在第二个步骤中形成的液态金属加载作用时，在第三个步骤中在金属颗粒内在不存在横截面上的温度平衡的情况下存在一对应于高于合金固化温度的表面温度是有利的。这时基本上可以得到这样的结论，这个优点与向液态金属中引入增大的专门的分裂能量相关，这里专门的分裂能量应理解为对于每单位重量的金属用于分裂金属和对金属进行加载作用的有效能量。
对于了解“welled up water”现象的专业人员非常出乎意料的是，在采用按本发明的方法时向金属流的冲射锐角可以大大加大。如果用一大于45°的角度用高速流向被加速的液态金属颗粒流加载作用，这时则达到特别好的粉末质量。
如果用带有至少部分液体介质的高速扁平流对液态金属颗粒流进行加载作用和分裂，对于得到尽可能等重的粉末颗粒是有利的。
已经证明，在按本发明的方法的一种改进方案中如果在第二个步骤中液态金属颗粒的分裂和加速沿一至少为浇注流束直径10倍的路程进行，并且以小于浇注流束直径8倍的喷嘴距离用高速流进行加载作用和短距离的分裂，则在具有不规则形状的小颗粒的粉末的高产出量上是有利的。
根据本发明的一个有利的实施形式，在一带有至少部分地在一个以上平面内相互重叠布置的开口的多射束喷嘴内形成至少一种加载作用浇注流束的介质。
本发明的另一个目的是开头所述类型的方法的另一种方案，通过这种方案改善由几种金属和合金组成的不规则粉末的质量。
这个目的通过这样的方法实现，即用由加热的气体形成的气流在第一个步骤中使浇注流束偏转其流动方向及使其表面积的扩大和/或在第二个步骤中使表面积扩大的浇注流束的偏转和使其分裂，以及形成的液态金属颗粒的加速。
这样实现的本方法的优点主要在于，需要较低的熔体过热，由此使供应容器和喷嘴装置的耐火炉衬具有更好的耐久性。令人惊讶地得到证实，在采用按本发明的方法时还实现不规则粉末颗粒的直径减小和均匀化。这显然是由于在借助于高速流对液态金属颗粒加载作用时更好地利用了分裂能量。此外，因为最好在工艺方面实现具有更好不规则性的仅仅在一窄小的尺寸范围内的粉末颗粒，在这样处理浇注流束时在液态金属颗粒表面区域内至用高速流加载作用金属颗粒之前似乎仍保持其流动性或粘度。
按照本发明设想，在必要时借助于热交换将用于第一个和/或第二个步骤的气流加热到一个室温以上，尤其是200℃以上，特别是400℃以上的温度。但是在考虑到气流的高的温度的精确调整，也可以附加地或者仅仅设置一气流的电加热装置。这例如可以利用一在流道内的加热电阻丝实现。这样特别是对于较小的金属颗粒可以减少或延迟表面散热或表面附近区域变稠。
此外如果在第一和/或第二个步骤中采用在浇注流束或液态金属颗粒表面上具有较小冷却效果的气体或混合气体加载作用，则是有利的。
在开头所述类型的方法中也可以设想，至少部分地使用分别在一燃烧中形成的废气流进行在第一个步骤中使浇注流束偏转其流向和使其表面积扩大和/或在第二个步骤中使表面积扩大的浇注流束偏转并使其分裂，以及所形成的液态金属颗粒的加速。
这里所达到的优点其原因主要在于，用特别方便的方法并经济地产生用于浇注流束预处理或者说预备处理的气流，以借助于高速流使浇注流束进行细化分裂。通过混合气体的燃烧一方面可实现对处理气流的加热，另一方面通过这时所形成的体积扩大可达到有利的气流强度的提高。此外通过燃烧也可以降低处理流内的氧含量。
这里如果用于第一和/或第二个步骤的气流分别在一包含一燃烧器，特别是高速燃烧器的装置中加热和形成，则特别有利。可以用高温气体这样目标明确地加载作用和预处理从分配器中流出的浇注流束和/或在第二个步骤中表面积扩大的浇注流束，从而可以实现对于在第三个步骤中将浇注流束分裂成希望高质量的金属粉末的先决条件。
附图说明
下面借助于一仅仅表示一种实施途径的附图对本发明加以说明。
图1示意性示出本发明的方法的一种实施形式；
图1a示意性示出本发明的方法的另一种实施形式。
具体实施方式
如在图1中的示意图可以看到，在一冶金容器1中有一种过热熔体，它通过一风眼砖/喷嘴体(Düsenstein)11沿垂直方向从该容器中流出，形成一直径为D的浇注流束2。
有利地设计成扁平束喷嘴装置的装置3在第一个步骤中以一锐角α用偏转介质31，例如水、水气混合物或气体，对垂直的浇注流束2加载作用，其中浇注流束2在区域32内这样地被冲射，以使其表面积加大地变宽。
基本上或者在大范围内仍然连续分布的变宽的浇注流束21接着由一加载作用系统4用一有利地形成具有宽的形状的介质束41以一锐角β加载作用。在按第二步骤变宽的浇注流束21和介质束41相遇时在区域42内变宽的浇注流束21再次偏转，并使浇注流束分裂成液态金属颗粒22。接着可通过符号V所表示的那样，借助于介质束41使液态金属颗粒22加速。接着在区域52内加速的液态金属颗粒22进入或包含入一扁平高速流51，它的方向相对于金属颗粒22的飞行轨迹成一角度γ。液态金属颗粒22高的动能和至少部分由液体介质形成的高速流51促使金属的专门分裂能量达到高的数值，由此在较高的功效的情况下造成具有单个粉末颗粒高的不规则性的基本上相同的小颗粒。加载作用系统5的区域53具有由介质束41引起的升高的压力，并防止液态金属小滴在系统部件5上的沉积。
试验表明，第一和第二个步骤的介质束31和41完全可以有利地用气体，尤其是氮气形成，其中在用于粉末颗粒分裂的金属流的准备中进行的气体加载作用可以产生金属颗粒过热热量的小的表面散热，并在提高经济性的情况下使粉末颗粒表面具有加大的不规则性。
借助于图1a中的示意图说明本发明的方案。
在必要时仅仅略微过热的金属浇注液流2通过一风眼砖11从一冶金容器中流出。伴随浇注流束2，可以设置一包围它的气流6，该气流加热到高于室温的温度。
一用来对浇注流束2加载作用和使其偏转的尤其是形成为偏平束加载作用装置3的装置产生一例如具有超过600℃的温度的热气流31，此气流在不加大的冷却效果的情况下使浇注流束2的表面积扩大。
另一个加载作用系统4也可以产生热的或高温气流41，它在必要时同样在不产生不利的冷却作用的情况下使表面积扩大的浇注流束21分裂，并使液态金属颗粒加速。加载作用系统3和4也可以至少部分做成燃烧装置。
最后按照本发明还可以设想，液体介质通过加热在高速流中转变成蒸汽形式，并用该蒸汽在第三个步骤中对液态金属颗粒加载作用。这里有利的是，分裂能量可以形成具有小的直径的粉末颗粒，另一方面也可以增大粉末颗粒的冷却强度，从而可达到特别高的金属粉末质量。
Claims (16)
1.用来通过用一流体介质对一金属熔体的浇注流束加载作用来制造由表面开裂的所谓不规则颗粒组成的金属粉末的方法，其特征为：在第一个步骤中使浇注流束偏转其流动方向和使其表面积扩大；接着在第二个步骤中使表面积扩大的浇注流束再次偏转其流动方向，同时使其分裂并且使所形成的液态金属颗粒沿一路径加速；在第三个步骤中由至少部分用液体介质构成的高速流以一相对于其运动方向成10°至90°的角度γ加载作用运动的液态金属颗粒，使其分裂并使颗粒固化。
2.按权利要求1所述的方法，其特征为，用至少部分由液体介质形成的流实现：在第一个步骤中浇注流束在其方向上的偏转及其表面积的扩大和/或在第二个步骤中表面积扩大的浇注流束的偏转及其分裂以及所形成的液态金属颗粒的加速。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征为：用一气流实现第一个步骤中浇注流束流动方向的偏转和其表面积的扩大。
4.按权利要求1或2所述的方法，其特征为：用一气流实现第二个步骤中表面积扩大的浇注流束的偏转和其分裂以及这时所形成的液态金属颗粒的加速。
5.按权利要求1或2所述的方法，其特征为：使浇注流束的金属熔体具有这样的过热并为了其分裂而保持这样的过热，即使得在第三个步骤中在以一带有至少部分液体介质的高速流加载作用第二个步骤中形成的液体金属颗粒时，在金属颗粒内在不存在横截面上的温度平衡的情况下存在一对应于高于合金固化温度的表面温度。
6.按权利要求1或2所述的方法，其特征为：用高速流以一大于45°的角度γ加载作用和分裂加速的液态金属颗粒流。
7.按权利要求1或2所述的方法，其特征为：通过一带有至少部分液体介质的高速扁平流加载作用和分裂液态金属颗粒流。
8.按权利要求1或2所述的方法，其特征为：在第二个步骤中沿一至少为浇注流束直径10倍的路径分裂和加速液态金属颗粒，并以具有小于浇注流束直径8倍的喷嘴距离用高速流给液态金属颗粒加载作用和短距离地分裂液态金属颗粒。
9.按权利要求1或2所述的方法，其特征为：在一扁平束喷嘴或一带有多个位于一个平面内的开口的多射束喷嘴内形成至少一种加载作用浇注流束的介质。
10.按权利要求1或2所述的方法，其特征为：在一带有至少部分地在一个以上平面内相互重叠布置的开口的多射束喷嘴内形成至少一种加载作用浇注流束的介质。
11.按权利要求4所述的方法，其特征为：将用于第一和/或第二个步骤的气流加热到一超过200℃以上的温度。
12.按权利要求1或2所述的方法，其特征为：对于第一和/或第二个步骤采用对浇注流束的或液态金属颗粒的表面具有小的冷却效果的气体或气体混合物。
13.按权利要求1或2所述的方法，其特征为：在第一个步骤中浇注流束偏转其流动方向及扩大其表面积，和/或在第二个步骤内偏转表面积扩大的浇注流束及其分裂以及形成的液态金属颗粒的加速至少部分用分别在一燃烧中形成的废气流进行。
14.按权利要求13所述的方法，其特征为：对于第一和/或第二个步骤气流分别在一包括燃烧器的装置内加热和形成。
15.按权利要求13所述的方法，其特征为：预热包围从分配器的风眼砖中流出后的浇注流束的气流。
16.按权利要求1或2所述的方法，其特征为：在高速流中的液体介质通过升温转变成蒸汽形式，并在第三个步骤中用蒸汽加载作用液态金属颗粒。
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