DE19623351C2

DE19623351C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Metall-Nitrid-Pulver

Info

Publication number: DE19623351C2
Application number: DE1996123351
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr Gerling; Frank-Peter Dr Schimansky; Hartmut Manfred Dr Goehler
Original assignee: Tls Technik & Co Spezialp GmbH; GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: Tls Technik & Co Spezialp GmbH; GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 1996-06-12
Filing date: 1996-06-12
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2016-06-13
Also published as: DE19623351A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Metall-Nitrid-Pulver mittels Gasverdüsung einer Metall schmelze, wobei die Metallschmelze von einer ersten Atmosphäre und der Gasverdüsungsort beim Verdüsungsvor gang der Metallschmelze von einer zweiten stickstoffhal tigen Atmosphäre umgeben wird, sowie eine Vorrichtung zur Ausführung eines derartigen Verfahrens.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art sind bekannt (US-PS 4 612 045). Bei dieser bekannten Vor richtung bzw. diesem bekannten Verfahren werden sowohl die erste Atmosphäre als auch die zweite Atmosphäre mit demselben Gas beaufschlagt, nämlich Stickstoff. Eine Stickstoffatmosphäre über der Metallschmelze in der dortigen Metallschmelzeinrichtung auszubilden, führt schon im Bereich der Schmelze zu einer Haut, die sich an der Oberfläche als Metall-Nitrid-Haut ausbildet, wobei zudem nicht auszuschließen ist, daß Teile dieser an sich schädlichen Haut in der zum Zerstäubungsort geführten Schmelze enthalten sein werden, so daß eine Zerstäubung der Metallschmelze mit den Metall-Nitrid-Anteilen gestört wird, was zu einem Metall-Nitrid-Pulver führen würde, das nur bedingt, wenn überhaupt, brauchbar wäre.

Aus der US-PS 5 114 470 ist ein Verfahren bekannt, bei dem zwar die Metallschmelze nicht mit der am Verdüsungs ort herrschenden Atmosphäre in Verbindung steht, es liegt aber in beiden Atmosphärenräumen Stickstoff vor, was genau wie beim erstgenannten Dokument zu weder ange strebten noch akzeptablen Endprodukten, nämlich hochrei nem Metall-Nitrid-Pulver, führen kann.

Allgemein gilt, daß zur Herstellung von Metall-Nitrid- Pulver, beispielsweise TiN, TiAlN, TiAl₆V₄Nx und ZrN, an sich zwei grundsätzlich unterschiedlich bekannte Her stellungsverfahren gebräuchlich sind. Bei dem einen bekannten Herstellungsverfahren wird stückiger metal lischer Werkstoff unter Stickstoffatmosphäre zu Pulver gemahlen. Bei dem 2. Verfahren wird Metallpulver durch Gasverdüsung einer Metallschmelze hergestellt, wobei danach bei erhöhter Temperatur und ggf. erhöhtem Druck durch geeignete Maßnahmen Stickstoff eindiffundiert.

Derartige bekannte Verfahren sind beispielsweise in der Literatur beschrieben unter "F. Preisser, Results on Nitriding Titanium and Ti6Al4V with a New Thermomecha nical Treatment under High Gas Pressure, Titanium '92 Science and Technology, Eds. F. H. Froes and I. L. Caplan, TMS, Warrendale, USA 1993, Vol. III, p. 1979- 1988", sowie "Y. Chen and I. S. Williams, Mechanosynthe sis of Nanocrystalline (Ti, Al) N by Ball Miling, Proceedings of the Powder Metallurgy World Congress PM'94, les Editions de physique, Les Ulis Cedex A, France, 1994, Vol. II, p. 1313-1316".

Reines Metall-Nitrid-Pulver wie TiN oder ZrN kann durch Mahlung stückigen Werkstoffs hergestellt werden, wobei der Nachteil ist, daß das Mahlen unter N₂-Atmosphäre nur unter hohem anlagentechnischen Aufwand möglich ist. Darüber hinaus haben gemahlene Pulver eine unregelmäßige Form, wodurch sowohl deren Fließfähigkeit als auch deren Schüttdichte beeinflußt wird, was für einige Anwendun gen, z. B. Plasmaspritzen, ungünstig ist.

Mit dem zweiten bekannten Verfahren kann sowohl reines Metall-Nitrid-Pulver wie TiN und ZrN als auch Metalle gierungs-Nitrid-Pulver wie TiAlN oder Ti₆AlV₄Nx herge stellt werden, dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß die Pulverherstellung, wie oben aufgeführt, in zwei Prozeßschritten, nämlich der eigentlichen Pulverher stellung und der nachfolgenden Nitrierung des Pulvers erfolgt. Somit ist auch das bekannte Herstellungsver fahren von Metall-Nitrid-Pulver verfahrensmäßig nur sehr aufwendig durchführbar, was sich dementsprechend in sehr aufwendigen Vorrichtungen zur Ausführung des Verfahrens bzw. den entsprechenden Herstellungsanlagen nieder schlägt und dementsprechend natürlich auch mit hohen Abgabekosten für das hergestellte Metall-Nitrid-Pulver.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem Metall-Nitrid-Pulver kostengünstig unter geringem apparativen Aufbau herge stellt werden kann, wobei auch eine gezielte Einstellung des Stickstoffgehaltes des Metall-Nitrid-Pulvers möglich ist, und daß eine Vorrichtung zur Ausführung eines Verfahrens zur Herstellung eines Metall-Nitrid-Pulvers bereitgestellt werden kann, die einfach im Aufbau und damit kostengünstig herstellbar ist und die eine ein fache und damit kostengünstige Verfahrensführung zur Herstellung des Metall-Nitrid-Pulvers gestattet.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch, daß die erste und zweite Atmosphäre während des Herstellungsprozesses strickt voneinander getrennt gehalten werden, wobei die die Metallschmelze bis zum Verdüsungsort umgebende Atmosphäre eine Inert gasatmosphäre ist.

Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, daß die Metallschmelze unter einer Schutzgasatmosphäre erzeugt wird, die eine vorzeitige Nitridbildung in der Schmelze oder an der Oberfläche der Schmelze verhindert, wohin gegen dann, d. h. während des Verdüsungsvorganges, die Atmosphäre der Gasverdüsung ohne Beeinflussung durch die die Metallschmelze umgebende Atmosphäre gezielt einge stellt werden kann und somit keine wechselseitige Beeinflussung erfolgt. Es erfolgt somit eine gastechni sche Trennung des Schmelzvorganges und des Verdüsungs- bzw. Zerstäubungsvorganges während der Ausführung des Verfahrens. Infolge der gastechnischen Trennung kann die Metallschmelze direkt mit Stickstoff zerstäubt werden, wobei durch unterschiedliche Stickstoffzufuhr die Metall-Nitrid-Bildung gezielt eingestellt werden kann.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Verfahren derart durchgeführt, daß die Metall schmelze in Form eines Schmelzstrahls unter einer diesen umgebenden Inertgasatmosphäre abgezogen wird und daß nachfolgend der Schmelzstrahl mittels unter Druck befindlichem gasförmigem Stickstoff zerstäubt wird. Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, aus der flüssigen Metallschmelze direkt Metall-Nitrid-Pulver herstellen zu können, d. h. es ist eine besonders preis günstige Herstellung von Metall-Nitrid-Pulver durch die Einsparung eines zweiten Verfahrensschrittes möglich. Durch die gezielte Einstellbarkeit des Stickstoffgehalts des Metall-Nitrid-Pulvers kann ein Metall-Nitrid-Pulver für Anwendungsfälle gezielt geschaffen und bereitge stellt werden, bei dem ein bestimmter Stickstoffgehalt des Pulvers erforderlich ist.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird dem gasförmigen Stickstoff ein unter Druck befindliches Inertgas zur Bildung eines Stick stoff-Inertgas-Gasgemisches zugesetzt, wodurch die gezielte Einstellbarkeit des Stickstoffgehaltes des Metall-Nitrid-Pulvers nochmals verbessert durchgeführt werden kann, was wiederum für bestimmte Anwendungsfälle des Pulvers von höchster Wichtigkeit ist, um bestimmte Eigenschaften von Werkstücken oder Halbzeugen zu errei chen, die für den bestimmten Anwendungsfall zwingend erforderlich sind.

Auch ist bei einer noch anderen vorteilhaften Ausge staltung des Verfahrens die Möglichkeit gegeben, daß das Inertgas, das die die Metallschmelze umgebende Inertgas atmosphäre bildet, unterschiedlich gewählt wird, vorzugsweise Argon und/oder Helium. Wie schon eingangs angedeu tet, ist die die Metallschmelze umgebende Inertgasatmo sphäre nötig, um eine vorzeitige Nitridbildung in der Metallschmelze oder der Oberfläche der Schmelze zu verhindern. Dieses ist auch grundsätzlich unabhängig davon nötig, welche Schmelztechniken verwendet werden, ob nun das sogenannte Induktions-Abtropfschmelzen, das Plasmaschmelzen, das Elektro-Schlacke-Umschmelzen oder das sogenannte Kaltwandinduktionsschmelzen.

Eine Vorrichtung zur Ausführung eines derartigen Ver fahrens ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphärenräume derart getrennt voneinander ausge bildet sind, daß der von der Metallschmelzeinrichtung erzeugte Schmelzstrom der Metallschmelze bis zum Verdü sungsort in der Gasverdüsungseinrichtung von der im Atmosphärenraum herrschenden Inertgasatmosphäre umhüllt wird.

Dadurch ist vorteilhafterweise sichergestellt, daß die in der Schmelzkammer vorhandene Inertgasatmosphäre, ob nun aus Argon oder Helium oder Gemischen daraus, die flüssige Schmelze vor einer vorzeitigen Stickstoffauf nahme und der damit verbundenen Oberflächennitridbildung bis zum Zerstäubungspunkt schützt. Im Zerstäubungspunkt zerteilt Stickstoff oder eine Stickstoff-Inertgasgemisch die flüssige Schmelze in feinste Tröpfchen unter sofor tiger Nitridbildung. Die Tröpfchen erstarren schnell zu feinen Pulverteilchen.

Es können unterschiedliche Konstruktionen gewählt werden, um den Raum, in dem die Gasverdüsungseinrichtung angeordnet ist, gegenüber dem Atmosphärenraum, in dem die Metallschmelzeinrichtung angeordnet ist, abzutren nen. Dieses geschieht jedoch, wenn die Gasverdüsungsein richtung einerseits und die Metallschmelzeinrichtung andererseits in einer gemeinsamen örtlichen Anordnung zueinander in der Vorrichtung angeordnet sind, vorzugs weise durch ein Trennelement, das als Platte ausgebildet sein kann, das unmittelbar den Bereich der Vorrichtung zwischen Metallschmelzeinrichtung einerseits und der Gasverdüsungseinrichtung andererseits abtrennt. Diese vorgeschlagenen Maßnahme ist einerseits verhältnismäßig einfach und kostengünstig ausbildbar, sie ist jedoch andererseits sehr effektiv, zumal lediglich ein Öff nungsbereich begrenzten Ausmaßes vorgesehen werden muß, durch den der Schmelzstrom von der Schmelzeinrichtung kommend hindurchgeleitet werden kann, um im Bereich der Düse der Gasverdüsungseinrichtung verdüst bzw. zerstäubt zu werden.

Wie oben schon angedeutet, besteht grundsätzlich die Möglichkeit, die Schmelzeinrichtung auf verschiedene geeignete Weise auszubilden. Besonders vorteilhaft, weil gut steuerbar und einfach betreibbar, kann als Aggregat zur Herstellung der Metallschmelze vorteilhafterweise eine Induktionsspule verwendet werden, die auf an sich bekannte Weise, beispielsweise in Form eines Indukti onsschmelzofens, Verwendung finden kann.

Besonders vorteilhaft ist es aber, die Induktionsspule mit einer Metallelektrode zusammenwirken zu lassen, wobei die Metallelektrode in den Bereich der Indukti onsspule zur Ausführung des Schmelzvorganges gezielt eingebracht werden kann, so daß die als Ausgangsmaterial für die Metallschmelze verwendete Metallelektrode gezielt aufgeschmolzen werden kann, was für die Ausbil dung des nachfolgend hergestellten Pulvers in bezug auf den gezielten Nitrideinbau von großer Bedeutung sein kann, da auch über die gezielte Zufuhr der Metall schmelze ein weiterer Einstell- bzw. Regelparameter auf an sich einfache Weise geschaffen wird.

Es sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, daß immer dann, wenn im Vorangehenden und im noch Folgenden von Metall-Nitrid-Pulver und von Metallschmelze die Rede ist, darunter natürlich auch Metallegierungs-Nitrid- Pulver und Metallegierungsschmelze zu verstehen ist, d. h. das erzeugte Pulver kann sowohl rein elementar metallisches Pulver als auch Metallegierungspulver sein und die Metallschmelze kann eine reine elementare Metallschmelze oder eine Metallegierungsschmelze sein.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nach folgenden schematischen Zeichnungen anhand zweier Ausführungsbeispiele eingehend beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 in Form eines Schnitts zur Ausführung des Verfahrens eine Vorrichtung zur Herstellung eines Metall-Nitrid-Pulvers mittels einer konventionellen Metallschmelzeinrichtung und

Fig. 2 eine Vorrichtung wie in Anspruch 1 dargestellt, bei der aber die konventionelle Metallschmelz einrichtung durch eine Induktionsspule ersetzt ist, in die gezielt eine Metallelektrode durch longitudinale Bewegung und Drehbewegung einge führt wird.

Die Vorrichtung 10 umfaßt einen im wesentlichen ge schlossenen Raum, in dem die einzelnen Elemente der Vorrichtung 10 angeordnet sind. Die Raumbegrenzung ist in den Fig. 1 und 2 durch das Bezugszeichen 24 bezeichnet, wobei aber darauf hingewiesen werden muß, daß die in den Figuren gezeigte geometrische Form der Raumbegrenzung 24 hier nur symbolisch zu verstehen ist, d. h. eine Raumbegrenzung 24 kann an sich auf beliebige Art und Weise in Anpassung an die einzelnen Komponenten der Vorrichtung 10 gestaltet sein.

Innerhalb der Raumbegrenzung 24 wird ein erster Atmo sphärenraum 13 geschaffen, in dem eine Metallschmelz einrichtung 11 angeordnet ist. Der erste Atmosphärenraum 13 wird im wesentlichen durch ein Trennelement 17, das Teil einer Gasverdüsungseinrichtung 22 sein kann, derart getrennt, daß unterhalb des Trennelementes 17, bezogen auf die Darstellungen gemäß Fig. 1 und 2, ein zweiter Atmosphärenraum 15 geschaffen wird. Der erste und der zweite Atmosphärenraum 13, 15 sind lediglich durch einen Öffnungsbereich 25 miteinander verbunden, der in der Gasverdüsungseinrichtung 22 hier im wesentlichen zentral ausgebildet ist. Durch den Öffnungsbereich 25 hindurch wird der Schmelzstrom 23, ggf. in Form von Schmelz stromtröpfchen, vgl. Fig. 2, geleitet, was im einzelnen noch weiter unten beschrieben wird.

In den durch die Raumbegrenzung 24 oben gebildeten ersten Atmosphärenraum 13 wird ein Inertgas, beispiels weise Argon oder Helium, zur Bildung der Atmosphäre 14 geleitet. Die Metallschmelzeinrichtung 11, in der auf geeignete Weise eine Metallschmelze 19 erzeugt wird, die beispielsweise aus Titan, Titan-Aluminiumlegierung oder anderen geeigneten Metallen oder Metallegierungen gebildet sein kann, wird durch die Inertgasatmosphäre 14 vollständig eingeschlossen, so daß eine vorzeitige Nitridbildung der Schmelze 19 oder an der Oberfläche der Schmelze 19 verhindert wird.

Nach Erreichen der vorbestimmten Schmelztemperatur wird aus der Metallschmelzeinrichtung 11, vgl. Fig. 1, der Schmelzstrom 23 abgeleitet, der ebenfalls noch von der Inertgasatmosphäre 14 umhüllt wird, so daß auch dort eine Nitridbildung im Schmelzstrom 23 oder an der Oberfläche des Schmelzstroms 23 verhindert wird. Der Druck der Atmosphäre 14 ist geringfügig höher als ein Druck eines Stickstoffgases 16 oder eines Stickstoff- Gasgemisches 16, das die zweite Atmosphäre 16 bildet, das von außen. vgl. Pfeil und Bezugsziffer 16, in die Gasverdüsungseinrichtung 22 geleitet wird und dort im Öffnungsbereich 25 den den Öffnungsbereich 25 durchque renden Schmelzstrom 23 derart beaufschlagt, daß der Schmelzstrom 23 versprüht bzw. zerstäubt wird, um, wie angestrebt, das Metall-Nitrid-Pulver 21 zu erhalten. Der erhöhte Druck der ersten Atmosphäre 14 gegenüber der zweiten Atmosphäre 16 (Stickstoffatmosphäre oder Stick stoffgasgemischatmosphäre) bewirkt, daß keine Bestand teile der zweiten Atmosphäre 16 in den Bereich der ersten Atmosphäre 14 gelangen können. Infolge der vorbeschriebenen gastechnischen Trennung der Metall schmelze 19 des Schmelzstroms 23 von der bis dahin ungewünschten Beaufschlagung mit Stickstoff kann nach folgend die Schmelze direkt mit Stickstoff oder einem Stickstoff-Gasgemisch, das auch ein Stickstoff-Inert gas-Gemisch sein kann, zerstäubt werden.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 1 dadurch, daß als Metallschmelzeinrichtung 11 hier eine Induktionsspule 12 gewählt ist, in die eine bis zum Schmelzvorgang feste Metallelektrode, die einer longitudinalen Zuführungsbe wegung und einer Rotationsbewegung ausgesetzt wird, eingeführt wird. Die Zusammensetzung der Metallelektrode 20 aus Metallen, Metallegierungen, unterschiedlichen Metall- oder Metallegierungsbereichen, angedeutet durch die unterschiedlich schraffierten Bereiche in der Metallelektrode 20, kann eingestellt werden, so daß das mit der Vorrichtung gemäß Fig. 2 erzeugte Metall-Ni trid-Pulver unterschiedliche Zusammensetzungen haben kann. Die Ausbildung der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 2 hat den Vorteil, daß der tropfenförmige Schmelzstrom 23 ggf. noch effektiver zerstäubt werden kann als der kontinu ierliche Schmelzstrom der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 1.

Bezugszeichenliste

10

Vorrichtung

11

Metallschmelzeinrichtung

12

Induktionsspule

13

Atmosphärenraum

14

Atmosphäre

15

Atmosphärenraum

16

Atmosphäre

17

Trennelement

19

Metallschmelze

20

Metallelektrode

21

Metall-Nitrid-Pulver

22

Gasverdüsungseinrichtung

23

Schmelzstrom

24

Raumbegrenzung

25

Öffnungsbereich

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Metall-Nitrid-Pulver mittels Gasverdüsung einer Metallschmelze, wobei die Metallschmelze von einer ersten Atmosphäre und der Gasverdüsungsort beim Verdüsungsvorgang der Metall schmelze von einer zweiten stickstoffhaltigen Atmosphäre umgeben werden, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Atmosphäre während des Herstellungsprozesses strikt voneinander getrennt gehalten werden, wobei die die Metallschmelze bis zum Verdüsungsort umgebende Atmosphäre eine Inertgasatmosphäre ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschmelze in Form eines Schmelzstrahls unter der diesen umgebenden Inertgasatmosphäre abgezogen wird und daß nachfolgend der Schmelzstrahl mittels unter Druck befindlichem gasförmigen Stickstoff in das Me tall-Nitrid-Pulver zerstäubt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem gasförmigen Stickstoff ein unter Druck befind liches Inertgas zur Bildung eines Stickstoff-Inertgas- Gasgemisches zugesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der beiden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Inertgas, das die die Metallschmelze umgebende Inertgasatmosphäre bildet, Argon und/oder Helium ist.

5. Vorrichtung zur Herstellung von Metall-Nitrid-Pulver mittels Gasverdüsung einer in einer Metallschmelzein richtung erzeugbaren Metallschmelze, wobei ein die Metallschmelzeinrichtung umgebender Atmosphärenraum und ein weiterer Atmosphärenraum vorgesehen sind, in dem die Gasverdüsungseinrichtung (Zerstäubungskammer) zur Zer stäubung der Metallschmelze angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphärenräume (13, 15) derart getrennt voneinander ausgebildet sind, daß der von der Metallschmelzeinrichtung (11) erzeugte Schmelzstrom (23) der Metallschmelze (19) bis zum Verdüsungsort in der Gasverdüsungseinrichtung (22) von der im Atmosphärenraum (13) herrschenden Inertgasatmosphäre (14) umhüllt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasverdüsungseinrichtung (22) gegenüber dem Atmosphärenraum (13), in dem die Metallschmelzeinrich tung (11) angeordnet ist, durch ein Trennelement (17) abgetrennt ist.

7. Vorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Aggregat zur Herstellung der Metallschmelze (19) eine Induktionsspule (12) ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmaterial für die Metallschmelze (19) eine Metallelektrode (20) ist.