DD232212A5 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von metallpulver - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Metallpulver durch Zerstaeuben einer Metallschmelze aus einem Steigrohr. Die Aufgabe besteht darin, mit minimalem konstruktiven, verfahrenstechnischen und energetischen Aufwand Metallpulver hoechster gleichbleibender Qualitaet herzustellen. Dies wird erfindungsgemaess dadurch erreicht, dass einer in dem Steigrohr (7) aufsteigenden Metallschmelze Inertgas, insbesondere Argon, zugemischt wird, wodurch Metallschaum gebildet wird, der in einer Pulverisierungskammer (8) ebenfalls mit Inertgas, insbesondere Argon, hohen Druckes unter Ausbildung von Metalltroepfchen beaufschlagt wird. Diese werden durch das in die Pulverisierungskammer (8) eingeblasene Gas aus dieser wieder herausgedraengt in einen Expansionsraum in Form eines Sammelbehaelters (10), wobei die Metalltroepfchen unter Ausbildung feinsten Metallpulvers im Durchgang (9) von der Pulverisierungskammer (8) in den Sammelbehaelter (10) eine Beschleunigung erfahren. Figur
Description
Berlin, 14· 8. 85 64 869 25
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Metallpulver
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Metallpulver durch Zerstäuben einer Metallschmelze aus einem Steigrohr·
Die Bedeutung von Metallpulver zur Herstellung von Metallgegenständen, insbesondere von Gegenständen komplizierter Porm, wird zunehmend größer· Aus diesem Grunde gibt es eine entsprechend große Anzahl von Vorschlägen zur Herstellung von Metallpulver, wobei die bekannten Lösungen sowohl verfahrenstechnisch als auch vorrichtungsmäßig aufwendig und damit entsprechend teuer sind. Auch ist der Energiebedarf bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen relativ hoch. Insbesondere gewährleisten die bekannten Verfahren und Vorrichtungen keine gleichbleibende Metallpulver-Qualität.
Aus der DE-AS 1 285 098 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, und zwar in erster Linie zur Herstellung von kleinen Metallkügelchen, wie sie für Kugelschreiber, Kugellager oder dergleichen benötigt werden. Bei der bekannten Lösung wird ein aufrechtes Steigrohr in eine Metallschmelze getaucht und um seine Längsachse in Drehrag versetzt· Über am oberen Ende des Steigrohres sich von einem zentralen Steigkanal ausgehend etwa radial nach außen erstreckende Kanäle wird die im Steigrohr bzw. Steigkanal ansteigende Metallschmelze unter Ausbildung von sich verfestigenden Schmelztröpfchen abgeschleudert.
Ziel der Erfindung ist es, den Aufwand für die Herstellung von Metallpulver zu senken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Zerstäuben einer Metallschmelze aus einem Steigrohr mit minimalem konstruktiven, verfahrenstechnischen und energetischen Aufwand Metallpulver höchster gleichbleibender Qualität herzustellen·
Dies wird erfindungsgemäß durch folgende Verfahrensschritte erreicht: Vermischen der Metallschmelze mit einem Gas, vorzugsweise Inertgas, Beaufschlagen der mit Gas versetzten Metallschmelze mit einem, vorzugsweise inertem Druckgas unter Ausbildung von zum Teil hohlen Metalltröpfchen, wobei das Druckgas zugleich dazu dient, die Metalltröpfchen unter Ausbildung feinsten, volldichten Metallpulvers unter erhöhter Geschwindigkeit bzw. beschleunigt in einen Expansionsraum zu blasen·
Ausgangspunkt zur Herstellung von Metallpulver ist eine Metall- bzw* Metall-Legierungs-Schmelze, wobei der gesamte Herstellungsprozei3 in einem abgeschlossenen Raum, vorzugsweise in Inertgas, insbesondere in Argon, stattfindet. Das durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Metallpulver zeichnet sich durch höchste Homogenität, und zwar sowohl bezüglich der Zusammensetzung, des Gefüges als auch der Porm und Größe der Metallpartikel aus·
Vorzugsweise erfolgt die Vermischung der Metallschmelze mit Gas, vorzugsweise Inertgas, unter Ausbildung eines Metallschaumes,- der in..,einer Pulverisierungskammer durch Beauf-
schlagung mittels inertem Druckgas in feine, zum Teil noch hohle Metalltröpfchen "gesprengt" bzw. zerteilt wird. Das inerte Druckgas, vorzugsweise Argon, dient gleichzeitig dazu, die Metalltröpfchen aus der Pulverisierungskammer in einen geschlossenen Expansionsraum, nämlich Sammelbehälter, durch ein in Strömungsrichtung vorzugsweise konvergierendes Mundstück hindurchzupressen, wodurch eine sog· sekundäre Zerteilung der Metalltropfchen in noch feinere, volldichte Partikel erfolgt* Die Metalltröpfchen werden unter Ausbildung feinsten Metallpulvers durch eine äußere, in den Expansionsraum gerichtete Druckgasströmung beschleunigt·
Die Metalltröpfchen werden unter Ausbildung feinsten Metallpulvers in einem Winkel von etwa 10 bis 80°, insbesondere etwa 40 bis 50°, gegenüber der Horizontalen schräg nach oben gerichtet in den Expansionsraum geblasen· Die gegebenenfalls vorhandenen hohlen bzw. ausgehöhlten Metalltröpf-,chen platzen bei der sekundären Verteilung auf· Im übrigen werden die Metalltröpfchen durch die hohe Beschleunigung im konvergierenden Mundstück regelrecht auseinander gerissen· Im Expansionsraum bzw· Sammelbehälter, in dem ein wesentlich niedrigerer Druck als in der vorgeordneten Pulverisierungskammer herrscht, setzt sich also feinstes volldichtes Metallpulver ab· Aus diesem Metallpulver können Gegenstände höchster Formstabilität hergestellt werden.
Durch die Erfindung ist also auch sichergestellt, daß keine Metallpartikel mit Hohlräumen entstehen. An dieser Stelle sei vorsorglich erwähnt, daß der verwendete Begriff "Metall" auch. Metall-Iegierungen umfaßt, insbesondere rostfreie Stahllegierungen und Superlegierungen·
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist gekennzeichnet tLurchr einenv einen Schmelztiegel umschließenden
Aufnahmebehälter, ein über dem Schmelztiegel angeordnetes und aus dem Aufnahmeraum herausgeführtes Steigrohr, eine Hubeinrichtung zum Anheben des Schmelztiegels innerhalb des Aufnahmebehälters und/oder zum Absenken des Steigrohres derart, daß dieses in die Metallschmelze eintauchbar ist, eine in den Aufnahmebehälter mündende Gasdruckleitung, durch die nicht-reaktives bzw· inertes Gas in den Aufnahmebehälter unter Ausbildung eines Behälterinnendruckes einleitbar ist, der die Metallschmelze bei eingetauchtem Steigrohr in diesem nach oben drückt, eine in das Steigrohr mündende Gasdruckleitung, durch.die der im Steigrohr ansteigenden Metallschmelze ein inertes Gas, vorzugsweise Argon, zumischbar ist, insbesondere unter Ausbildung von Metallschaum, eine an das obere Ende des Steigrohres angeschlossene Pulverisierungskammer, in die ebenfalls eine Gasdruckleitung mündet, durch die Gas, vorzugsweise Inertgas, unter hohem Druck einblasbar ist und einen an die Pulverisierungskammer angeschlossenen Sammelbehälter, wobei der Durchgang von der Pulverisierungskammer zum Sammelbehälter Mittel zur Beschleunigung der Metallpartikel aufweist·
Der Durchgang von der Pulverisierungskammer zum Sammelbehälter ist konvergierend ausgebildet.
In den Durchgang von der Pulverisierungskammer zum Sammelbehälter münden über den Umfang des Durchganges etwa gleichmäßig verteilt angeordnete Öffnungen, durch die eine zum Sammelbehälter gerichtete Druckströmung zur Beschleunigung der Metallpartikel im Durchgang blasbar ist·
Am unteren, der Metallschmelze zugewandten Ende des Steigrohres ist eine durch die Metallschmelze zerstörbare kappenartige Abdeckung angeordnet.
Der Durchgang von der Pulverisierungskammer zum Sammelbehälter ist etwa 10 bis 80°, insbesondere etwa 40 bis 50°, gegenüber der Horizontalen schräg nach oben gerichtet·
Die Gasdruckleitungen weisen jeweils Gasdruck-Regulierventile auf·
Der Aufnahmebehälter weist ein Überdruckventil oder dergleichen auf·
Durch die äußere Druckgasströmung im Bereich des Durchganges von der Pulverisierungskammer zum Expansionsraum bzw· Sammelbehälter erfahren die Metallpartikel eine hohe Beschleunigung ähnlich wie durch das sich konvergierend verengende Mundstück, wobei beide Maßnahmen kombiniert werden können mit dem Vorteil, daß die Beschleunigung im Bereich des erwähnten Durchganges durch die äußere "Besch!eunigungsströmung" abhängig von dem gewünschten Grad der sekundären Verteilung variierbar ist· Die äußere Druckgasströmung im Bereich des Durchganges von der Pulverisierungskammer zum Sammelbehälter ist vorzugsweise eine über dem Umfang des Durchganges gleichmäßig starke, etwa wandparallele Strömung.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden· Die zugehörige Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung die Vorrichtung zur Herstellung von Metallpulver im Schnitt·
In einem allseitig gasdichten, verschlossenen Aufnahmebehälter 2, der auf einer stabilen Unterlage 1 steht, ist ein Schmelztiegel 3 zur Aufnahme einer Metall- bzw. Metalllegierung-Schmelze angeordnet· Über dem.„ Schmelztiegel. 3-be- _..
findet sich ein aus dem Aufnahmebehälter 2 herausgeführtes Steigrohr 7# Mittels einer hydraulisch oder hydro-pneumatisch oder auch mechanisch angetriebenen Einrichtung kann der Schmelztiegel 3 innerhalb des Aufnahmebehälters 2 so weit angehoben werden, daJ3 das Steigrohr 7 in die Metallschmelze eintaucht· Die Hubeinrichtung 5 ist mit einem Hubtisch 4 verbunden, auf dem der Schmelztiegel 3 befestigt ist· Am unteren, der Metallschmelze zugewandten Ende ist das Steigrohr 7 mit einer kappenartigen Abdeckung 7a verschlossen, die beim Eintauchen des Steigrohres 7 in die Metallschmelze zerstört wird· Dem Schmelztiegel 3 ist eine Einrichtung zur Erzeugung der erforderlichen Schmelzwärme zugeordnet; bei dem dargestellten Ausfiihrungsbeispiel eine Induktionsspule 6 bekannter Bauart, deren elektrische Anschlüsse aus dem Aufnahmebehälter 2 herausgeführt sind (Steckanschluß 24)· In den Aufnahmebehälter 2 mündet eine Gasdruckleitung 11 mit einer MündungsÖffnung 12· Durch die Gasdruckleitung 11 ist in den Aufnahmebehälter 2 Gas, insbesondere Inertgas, zum Beispiel Argon, einleitbar, unter Ausbildung eines Behälterinnendruckes, der die Metallschmelze im Steigrohr 7 nach oben drückt, wenn dieses in die Metallschmelze eingetaucht ist. Der Gasdruck im Inneren des Aufnahmebehälters 2 wirkt auf die freie Oberfläche der Metallschmelze· Um sicherzustellen, daß im Inneren des Aufnahmebehälters 2 kein unzulässig hoher Gasdruck ausgebildet wird, ist der Aufnahmebehälter 2 mit einem Sicherheitsventil 19 versehen·
Das Steigrohr 7 ist durch eine im Deckel des Aufnahmebehälters 2 angeordnete Hülse 14 hindurch aus dem Aufnahmebehälter 2 herausgeführt, wobei der Innendurchmesser der Hülse größer ist als der Außendurchmesser des Steigrohres 7 und der dabei entstehende Ringraum 23 zwischen dem Steigrohr und der Hülse 14 gegenüber dem Innenraum' des Aufnahmebehäl-—
ters 2 einerseits (Ringdichtung 21) und der äußeren Umgebung andererseits (Ringdichtung 22) abgedichtet ist· In den Ringraum 23 mündet eine Gasdruckleitung 13» durch die in den Ringraum 23 und von diesem durch eine Öffnung 15 im Steigrohr 7 der im Steigrohr 7 ansteigenden Metallschmelze (bei entsprechend hohem Gasdruck im Inneren des Aufnahmebehälters 2) ein Inertgas, vorzugsweise Argon, zumischbar ist, so daß die Metallschmelze das Steigrohr 7 als Metallschaum verläßt. Der Ringraum 23 dient als Gas-Beruhigungszone.
Am oberen, bereits außerhalb des Aufnahmebehälters 2 befindlichen Ende des Steigrohres 7 ist eine sog. Pulverisierungskammer 8 angeschlossen, in die ebenfalls über eine Öffnung 18 Inertgas, nämlich Argon, unter hohem Druck einblasbar ist« Die Pulverisierungskammer 8 ist ähnlich wie der obere Teil des Steigrohres 7 von einem gegenüber der äußeren Umgebung abgedichteten Ringraum 16 umgeben, in den eine Gasdruckleitung 17 mündet· Der Ringraum 16 dient ebenso wie der Ringraum 23 als Gasberuhigungszone· Die Gasdruckleitungen 11; 13; 17 weisen jeweils Gasdruck-Regulierventile 20 auf, so daß der Druck des durch diese Leitungen eingeleiteten Gases individuell aufeinander abgestimmt werden kann. Durch die Einleitung von nicht-reaktivem bzw. inertem Druckgas in die Pulverisierungskammer 8 erfolgt eine Zerstäubung bzw. Zerteilung des Metallschäumes in - zu einem geringen feil mitunter auch hohle - Metalltröpfchen, die noch relativ großvolumig sind. Das in die Pulverisierungskammer 8 eingeleitete Druckgas dient zugleich dazu, die Metalltropfchen durch einen sich konvergierend verengenden Durchgang 9 hindurch in einen Expansionsraum, das heißt Raum niedrigen Druckes, nämlich geschlossenen Sammelbehälter 10, unter Ausbildung feinstem volldichten Metallpulvers zu blasen. Von ganz wesentlicher Bedeutung ist die konvergierende Verengung des Durchganges 9 und die dabei erzielte Beschleunigung der Gas-Metalltröpfchen-Strömung von der Pulverisie-
rungskammer 8 in den Sammelbehälter 10, Wie oben ausgeführt worden ist, kann diese Beschleunigung auch durch eine äußere Ringströmung erzielt werden«
Die durch die Beschleunigung im Durchgang 9 verursachten, auf die Metalltröpfchen einwirkenden hohen Beschleunigungskräfte reißen diese regelrecht auseinander, wodurch extrem feines Metallpulver entsteht·
Bei der dargestellten Ausführungsform ist der sich konvergierend verengende Durchgang 9 in einem Winkel A( von etwa 45° gegenüber ds* Horizontalen schräg nach oben gerichtet. Die Längsachse des Durchganges 9 deckt sich dabei mit der Längsachse der Pulverisierungskammer 8» Der sich konvergierend verengende Durchgang 9 kann als auswechselbares Mundstück ausgebildet sein, so daß abhängig von den gewählten Gasdrücken und der verwendeten Metall-Legierung unterschiedlich stark konvergierende Durchgänge 9 als Einsatz eines entsprechenden Mundstückes gewählt werden können· Erfolgt die Beschleunigung im Durchgang 9 durch die erwähnte äußere Ringströmung, kann der Beschleunigungsgrad durch entsprechende Einwirkung auf diese Ringströmung verändert werden· "Vorzugsweise werden dann beide Maßnahmen angewendet, nämlich eine äußere Ringströmung und ein konvergierendes Mundstück, wodurch ein Auswechseln des Mundstückes bei entsprechender Änderung der äußeren Ringströmung entbehrlich sein kann·
Das Mundstück kann auch verschwenkbar angeordnet sein, so daß der optimale Winkel (K, individuell einstellbar ist«
Zur Herstellung von Metallpulver mittels der dargestellten und beschriebenen Torrichtung wird zunächst der mit Metallschmelze gefüllte Schmelztiegel 3 auf dem Hubtisch 4 innerhalb der Induktionsspule 6 angeordnet· Durch die Induktionsspule 6 wird gewährleistet, daß das 1^e tall im Schmelztiegel 3
im geschmolzenen Zustand verbleibt· Der Aufnahmebehälter 2 wird dann gasdicht abgeschlossen und über die Gasdruckleitung 11 und Mindungsöffnung 12 mit Argon gefüllt· Dann wird mittels der Hubeinrichtung 5 der Hubtisch 4 und damit der Schmelztiegel 3 mit der Schmelze so weit angehoben, daß das Steigrohr 7 mit seinem unteren Ende in die Metallschmelze eintaucht, wodurch die kappenartige Abdeckung 7a zerstört wirdi Durch den Gasdruck im Inneren des Aufnahmebehälters 2, der auf die freie Oberfläche der Schmelze wirkt, wird,diese durch das Steigrohr 7 nach oben gedrückt· Gleichzeitig wird über die Gasdruckleitung 13, den Ringraum 23 und die Öffnung 15 im oberen Bereich des Steigrohres 7 der aufsteigenden Metallschmelze ein nicht-reaktives Gas, wie Argon, zugemischt, wodurch Metallschaum entsteht. Dieser· tritt in die Pulverisierungskammer 8 ein, in die durch die Öffnung 18 ebenfalls Gas unter Druck eingeblasen wird derart, daß eine Zerstäubung bzw· Zerteilung des Metallschaumes in Metalltröpfchen erfolgt· Durch das in die Pulverisierungskammer 8 eingeblasene Gas werden die Metalltröpfchen gleichzeitig durch den sich konvergierend verengenden Durchgang 9 hindurch in den Sammelbehälter 10 unter Ausbildung feinster volldichter Metallpartikel geblasen· Die gegebenenfalls in der Pulverisierungskammer 8 entstehenden hohlen bzw· ausgehöhlten Metalltröpfchen platzen im Durchgang 9 regelrecht auf und zerfallen in feinste Metallpartikel, bedingt durch Partialdruck-Ünterschiede innerhalb und außerhalb der Metalltröpfchen-Hohlräume· Der Sammelbehälter 10 ist gegenüber der Umgebung gasdicht verschlossen.
Wie bereits dargelegt worden ist, ist der sich konvergierend verengende Durchgang für die Peinzerstäubung von ganz wesentlicher Bedeutung. Durch den konvergierenden Durchgang kann auch der Gasverbrauch erheblich reduziert werden*
Durch den sich konvergierend verengenden Durchgang 9 erfolgt
also eine weitere bzw· sekundäre Zerteilung der in der PuI-verisierungskammer 8 ausgebildeten Metalltröpfchen, und zwar aufgrund der Beschleunigung und Beschleunigungskräfte, die auf die Metalltröpfchen im Durchgang 9 einwirken, Dadurch entstehen im Bereich des sich konvergierend verengenden Durchganges 9 auch die erwähnten Partialdruck-Ünterschiede, die ein Aufplatzen von gegebenenfalls vorhandenen hohlen Metalltröpfchen sowie eine weitere Zerkleinerung desselben bewirken· Dieser Effekt 7ri.rd zudem bei vergleichsweise geringem Gasverbrauch erzielt. Durch die Konvergenz des Durchganges 9 werden der Druck in der Pulverisierungskammer 8 sowie die Beschleunigung der Metalltröpfchen und die dadurch bedingten Aufbrechkräfte bestimmt, wobei der Konvergenzgrad von dem zu pulverisierenden Metall (Metall/Metall-Iegierung) und der gewünschten Partikelgröße abhängt.
Claims (12)
1. Verfahren zur Herstellung von Metallpulver durch Zerstäuben einer Metallschmelze aus einem Steigrohr, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
a) Vermischen der Metallschmelze mit einem Gas, vorzugsweise Inertgas,
b) Beaufschlagen der mit Gas versetzten Metallschmelze mit einem vorzugsweise inertem Druckgas unter Ausbildung von zum Teil hohlen Metalltröpfchen, wobei das Druckgas zugleich dazu dient,
c) die Metalltröpfchen unter Ausbildung feinsten, volldichten Metallpulvers unter erhöhter Geschwindigkeit bzw. beschleunigt in einen Expansionsraum zu blasen.
2* Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Metallschmelze unter Ausbildung eines Metallschaumes mit Gas, insbesondere Inertgas, vorzugsweise Argon, vermischt wird.
3· Verfahren nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Metalltröpfchen unter Ausbildung feinsten Metallpulvers durch einen sich konvergierend verengenden Durchgang hindurch in einen Expansionsraum geblasen werden*
4· Verfahren nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Metalltröpfchen unter Ausbildung feinsten Metallpulvers durch eine äußere, in den Bxpansionsraum gerichtete Druckgasströmung beschleunigt werden.
5· Verfahren nach Punkt 3 oder 4» gekennzeichnet dadurch, daß die Metalltröpfchen unter Ausbildung feinsten Metall-
pulvers in einem Winkel von etwa 10 bis 80°, insbesondere etwa 40 bis 50°, gegenüber der Horizontalen schräg nach, oben gerichtet in den Expansionsraum geblasen werden.
6· Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Punkte 1 bis 5» gekennzeichnet durch
a) einen einen Schmelztiegel (3) umschließenden Aufnahmebehälter (2);
b) ein über dem Schmelztiegel (3) angeordnetes und aus dem Aufnahmeraum (2) herausgeführtes Steigrohr (7);
c) eine Hubeinrichtung (5) zum Anheben des Schmelztiegels (3) innerhalb des Aufnahmebehälters (2) und/oder zum Absenken des Steigrohres (7) derart, daß dieses in die Metallschmelze eintauchbar ist,
d) eine in den Aufnahmebehälter (2) mündende Gasdruckleitung (11);
e) eine in das Steigrohr (7) mündende Gasdruckleitung (13);
f) eine an das obere Ende des Steigrohres (7) angeschlossene Pulverisierungskammer (8), in die ebenfalls eine Gasdruckleitung (17) mündet;
g) einen an die Pulverisierungskammer (8) angeschlossenen Sammelbehälter (10), wobei der Durchgang (9) von der Pulverisierungskammer (8) zum Sammelbehälter (10) Ht- tel zur Beschleunigung der Metallpartikel auf v/eist·
7* Vorrichtung nach Punkt 6, gekennzeichnet dadurch, daß der Durchgang (9) von der Pulverisierungskammer (8) zum Sammelbehälter (10) konvergierend ausgebildet ist·
8· Vorrichtung nach Punkt 6 oder 7, gekennzeichnet dadurch,
daß in den Durchgang (9) von der Pulverisierungskammer (8) zum Sammelbehälter (10) über den Umfang des Durchgangs (9) etwa gleichmäßig verteilt angeordnete Öffnungen münden«
9· Vorrichtung nach Punkt 6, gekennzeichnet dadurch, daß am unteren, der Metallschmelze zugewandten Ende des Steigrohres (7) eine durch die Metallschmelze zerstörbare kappenartige Abdeckung (7a) angeordnet ist·
10« Vorrichtung nach einem der Punkte 6 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß der Durchgang (9) von der Pulverisierungskammer (8) zum Sammelbehälter (10) etwa 10 bis 80°, ins^- besondere etwa 40 bis 50°, gegenüber der Horizontalen schräg nach oben gerichtet ist.
11. Vorrichtung nach Punkt 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Gasdruckleitungen (11; 13; 17) jeweils Gasdruck-Regulierventile (20) aufweisen»
12. Vorrichtung nach Punkt 6, gekennzeichnet dadurch, daß der Aufnahmebehälter (2) ein Überdruckventil (19) oder dergleichen aufweist.
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