DE2160134A1 - Fein verteilte Metalle und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF

PATENTANWÄLTE £ I DU I ν/ Η

8 MÜNCHEN 8O, MAUERKIRCHERSTR. 45

Dr. Berg Dipl.-Ing. Stapf, 8 München 80, Mauerkircherstraße 45 ■

Ihr Zeichen Ihr Schreiben Unser Zeichen Datum J Πθ7 SflTM

Anwaltsakte 21 854
ße/A

United Kingdom Atomic Energy Authority London (England)

"Fein verteilte Metelle und Verfahren zu ihrer Herstellung"

Diese Erfindung betrifft die Herstellung von Metallen in fein verteilter Form und im besonderen in Form von kleinen, kugelförmigen Partikeln mittels eines zentrifugalen Schrotgießverfahrens. Kleine Metallpartikel finden weitgehende Verwendung zur Herstellung dichter Metallstücke durch KaIt-

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4β82/2 209824/0758

'98 82 Π, 48 /0 43 '90 /0 43) 48 33 10 (98 33 10) Telegramm·_: BERGSTAPFPATENT München TELEX 05 24 560 BERG d Dank: Bayerisdia Vereinsbank München 453100 Postscheck: München 653 43

verdichtung und Sinterung, durch Heißpressen oder rieiß-Verfestigung durch Extrudieren oder Schmieden_o

Ein herkömmliches Verfahren zur Herstellung kleiner Partikel aus der Masse besteht darin, daß man eine Metallschmelze versprüht, aber dies führt normalerweise dazu, daß die Partikel wesentliche Sauerstoffmengen absorbieren, die wieder entfernt werden müssen, wenn die Brauchbarkeit des Pulvers voll zum Einsatz gebracht werden soll. Lie Entfernung des Sauerstoffs ist ziemlich leicht, wenn es sich um ein solches Metall handelt, dessen Oxid durch Erhitzen der Partikel in Wasserstoff oder anderen geeigneten Gasen reduziert werden kanno Sehr viele bedeutende Metalle haben jedoch keine reduzierbaren Oxide.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung von partikelförmigen Metallkörpern, wobei dies den Vorteil hat, daß die Sauerstoffabsorption während und nach der Feinzerkleinerung weitgehend oder vollständig verhindert werden kann.

In der Britischen Patentschrift 1 164 810 ist die Herstellung von partikelförmigen Körpern eines feuerfesten Materials (diese Bezeichnung betrifft feuerfeste Metalle, wie Wolfram) beschrieben, wozu man einen um seine symmetrische Achse sich drehenden Tiegel verwendet, dem mun daο feuerfeste Material zuführt und aus dem das Material, das durch

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einen Bogen, der zwischen dem Tiegel und einer Elektrode gebildet wird, geschmolzen als Partikel herausgeschleudert wird, wobei diese sich ohne wesentlichen Kontakt mit einer festen Oberfläche verfestigen« Die vorliegende Erfindung ist eine Modifizierung oder Verbesserung des Verfahrens der angegebenen Patentschrift.

Es schafft demgemäß die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Partikeln eines nicht feuerfesten Me- | tails, wozu man einen Bogen zwischen einer Elektrode und einem gekühlten Tiegel eines elektrisch leitfähigen Materials bildet» das Metall in einem geschmolzenen Zustand in den Tiegel einführt und gleichzeitig den Tiegel um seine symmetrische Achse so rotieren läßt, daß dadurch Tropfen des geschmolzenen Metalls aus diesem herausgeschleudert werden und daß man diesen Tropfen des geschmolzenen Metalls ermöglicht, sich ohne wesentlichen Kontakt mit einer festen Oberfläche zu verfestigen, wobei das Verfahren bei einer

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Atmosphäre durchgeführt wird, die nicht mehr als 10 ^J Atmosphären Partialdruck an freiem oder gebundenem Sauerstoff aufweist.

Unter "nicht feuerfesten Metallen" sind Metalle zu verstehen, die unter 2000 C schmelzen·

Die Metalle, auf die das Verfahren dieser Erfindung besonders anwendbar ist, sind solche, deren Oxide nicht durch

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Erhitzen mit Wasserstoff reduziert werden können, z_o B. Chrom, Mangan, Titan, Magnesium und Aluminium und Legierungen, die wesentliche Anteile solcher Metalle enthalten, Zo Be rostfreier Stahl,und Superlegierungen auf Nickel-Basis. Das Beschickungsmetall enthält vorzugsweise nicht mehr als 1 fo Sauerstoff.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in der in der Britischen Patentschrift 1 164 810 beschriebenen Vorrichtung durchgeführt werden, auf die hier Bezug genommen wird.

Es ist wesentlich, daß der Sauerstoff-Partialdruck, besonders als Wasser oder freier Sauerstoff, mit dem das Metall während oder nach der Zerkleinerung in Kontakt kommt, unter' 10 ^J atm liegen sollte* Das Verfuhren wird daher in einer inerten Atmosphäre, z. B. Argon bei 0,3 atm Druck oder Argon/Wasserstoff bei 0,3 atm Druck durchgeführt, obgleich die Natur und der Druck der Atmosphäre nicht kritisch sind,,

Der Tiegel und die Elektrode werden normalerweise wassergekühlte Y/enh kaltes Wasser für diesen Zweck verwendet wird, besteht die Gefahr, daß Wasserdampf aus der Atmosphäre in der Vorrichtung kondensieren kann, wenn sie zwischen den Ablaufpunkten gegenüber der Atmosphäre offen ist und das Metallpulver verunreinigen kann, wenn die Vorrichtung erneut zum Anlaufen gebracht wird. Aus diesem G-rund wird bevorzugt, warmes Wasser zum Kühlen des Tiegels und der Elek-

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trode zu verwenden, während die Vorrichtung gegenüber der Atmosphäre offen ist und kaltes Wasser während dem Schmelzen und der Pulverherstellung zu verwenden.

Es ist möglich, dem Tiegel das Metall in festem Zustand, beispielsweise durch Einbringen von Metallstücken abwärts in einem Kanal längs der Elektrodenachse, zuzuführen. In diesem Falle wird die maximale Größe der Metallstücke durch die Größe des Kanals, durch welchen sie zugeführt werden, bestimmt, und sie können beispielsweise 3 bis 6 mm Durchmesser haben«

Man kann auch das Metall in Form eines Stabes oder als Pulver zuführen, wobei diese Zuführung über ein Loch im Boden des Tiegels aufwärts erfolgt.

Vorzugsweise wird jedoch das Metall dem Tiegel in geschmolzenem Zustand zugeführt„ Es kann daher das Lletall als Elektrode verwendet werden, von der der Bogen gebildet wird, wobei die Elektrode vertikal über dem gekühlten Tiegel angeordnet wird und die Metallelektrode abwärts so schnell beschickt wird, -.vie die Spitze durch Schmelzen des Materials abfallend in den Tiegel entfernt wird.

En ist möglich, entweder Abfallmaterial aus vorausgehenden Abläufen oder Abfallmaterialien von anderen Verfuhren, wie Späno, zu verwoxidon. Dieu kann in verschiedener Weine durchgeführt v/orden, beispielsweise durch Pressen van Elektroden 209824/0758 -6-

oder durch Herstellung von Elektroden, die das Pulver enthalten. So kann man dünnwandige Röhren von aer ungefähren Zusammensetzung des zur Umwandlung in Pulver vorgesehenen Materials verwenden, die Röhre mit Pulver füllen und dicht schweißen. Solche Elektroden arbeiten voll zufriedenstellend.

Man kann auch getrennt Schmelzmetall unmittelbar dem sich drehenden Tiegel zuführen.

Die Partikelgröße des hergestellten Metalls hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich der Formgebung und der Drehgeschwindigkeit des Tiegels und dem Vorliegen oder dem Fehlen eines Überlaufs bz¥/# Grats rund um die Tiegelkante, liegt aber im allgemeinen im Bereich von 1000 bis 2000 /um bei Geschwindigkeiten von wenigen hundert Upm und bei 200 bis 400 /um bei 2500 Upm. Es ist möglich, kleinere Partikel herzueteilen, wenn »an höhere Geschwindigkeiten und/oder G-asströme mit höherem Druck verwendet, um die Tropfen aus geschmolzenem Material, wie sie von der Kante des Tiegels herausgeschleudert werden, aufzubrechen.

Der Tiegel kann in seinem Querschnitt geeigneterweise halbkugelförmig oder leicht eingemuldet sein.

Ein Grat von wiederverfestigtem Material kann sich rund um üie Kante des l'iegels uilden. Dies kann in den fällen unerwünscht üoin, wo der Grat die Größe der Metall tropfen be-

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einträchtigt und weil irregulär geformte Stücke des Grats abbrechen und die sonst kugelförmigen Partikel des Produkts verunreinigen können_o Die Gratbildung kann verringert oder verhindert werden, wenn man die Temperaturverteilung entlang der vorausbestimmten Elektroden/Tiegelanordnung ändert, oder wenn man eine zweite Elektrode mit einem von der Hauptelektrode getrennten Kreislauf und einen zweiten Bogen zwischen dieser Elektrode und der Kante des Tiegels vorsieht_o

Das partikelförmige Metallprodukt dieses Verfahrens sollte nicht bedeutend mehr Sauerstoff enthalten, als die Metallbeschickung des Tiegels. Im allgemeinen wird das partikelförmige Metallprodukt dieses Verfahrens weniger als 0,25 #> vorzugsweise weniger als 0,1 9^ und möglicherweise weniger als 0,01 <$> Sauerstoff enthalten. Der Vorteil dieser Erfindung geht weitgehend verloren, wenn das Ausgangsmaterial einen großen Anteil Sauerstoff enthält, es sei denn, daß das in Betracht kommende Metall ein reduzierbares Oxid hat und man das zentrifugale Schrotgießen in einer reduzierenden Atmosphäre bewirkt. Bei einem Ausgangsmaterial von losem, eisenhaltigem Metall mit einem Gehalt von 0,56 $ Sauerstoff und bei Verwendung einer Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre wurde ein Produkt mit einer Partikelgröße von 1100 bis I5OO /um und mit einem Sauerstoffgehalt von 200 ppm erhalten. Je nach der Partikelgröße und der vorgesehenen Verwendung kann man in Luft oder in einer inerten Atmosphäre arbeiten«

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Die gebildeten Metallpartikel sind im allgemeinen kugelförmige Partikel einer gewünschten Größe können leicht von den anderen durch Sieben oder vibrierendes Sortieren getrennt werden»

Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung.

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Beispiel 1

Es werden Pulver unter Verwendung von verbrauchbaren Elektroden von zv/ei Legierungen mit 31 mm Durchmesser hergestellte Me Verbuche ,vuruen jeweils 2 Minuten mit einer Produktions^eschwinui^keit von 800 g pro Minute in einer statischen Argon-Atmosphäre durchgeführt, deren Sauerstoffgehalt geringer als 5 ppm war. Die beiden Legierungen waren Mimonic 105 und Wimonic 115, und die Zusammensetzungen dieser Legierungen waren:

Le gie rung

Spezi-i -Ρ-Ϊ lrn

G

Si

iiimoni c-Legi erun&en Zusammensetzung $

2,0 max

1,0 max

13,5 15f7E

0,9 1,5

Al

Co

Mo

Pb Ni

105

tion

0,20 max

1,0 max

Gu Fe Mn Cr Ti

1,0 max

1,0 max

14,0 16,0

3,5 4,5

4,5 4,9

18,0 22,0

4,5 5,5

0,005 bal max

115

DTD 5007

0,20 max

1,0 max

0,5 max

4,5 5,5

13,5 16,5

3,0 5,0

0,005 bal max

DTD 5017

0,2 max

Der Anfangssauerstoffgehalt der lümonic 105-Elektrode war 30 ppm,. Tiegel und Elektrode wurden dauernd mit Wasser gekühlt»

Die Ergebnisse der ciiemisehen Analysen durch Vakuumsclimelzen der entsprechenden Proben, die den verscniedenen, während dieser Abläufe --ebildeten Materialfraktionen entnommen wurden, sind nachfolgend angegebene

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_BAD

- ΐυ -

Ergebnisse mit ffiinonic 1C5

■Partikeldurohnesser Lauerst of Γρβηει It pom

1C00 - 1200 30

500 - 850 40

300 - 500 30

Ergebnisse mit Nimonic 115 Partikeldurchmesser äauerstof!gehalt ppm

1000 - 1200 ' 20

850 - 1000 20

500 - 850 40

105 - 300 20

Beispiel 2

Das Verfahren dieser Erfindung wurde unter Verwendung eines wassergekühlten Kupfertiegels und mit einer 37 nun Durchmesser Gebrauchselektrode aus im Handel erhältlichem, reinem Titanmetall (IMI Ti 130) durchgeführt«, Der Tiegel drehte sich mit einer Geschwindigkeit von 2500 Upm in einer statischen Atmosphäre von Argon/Helium bei 2/3 atmosphärischem Druck, wobei die verwendete Atmosphäre weniger alö 5 ppm bauerstoff enthielt=

Beispiel 3

Das Verfahren wurde unter Verwendung eines wassergekühlten Kupfur riegels und einer 37 mm Durchmesser Gebruuchseloktrode UU.3 ei:iL-r Titanlegierung, di e 6 Gew.^ Aluminium und 4 Clew^

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Vanadium enthielt (IHI Ti 318), durchgeführt. Der Tiegel wurde mit 2500 TJpm in einer statischen Ärgon-A tmo Sphäre bei 2/3 atmosphärischem Druck gedreht, wobei die Atmosphäre weniger als 5 ppm Sauerstoff enthielt.

Die Ergebnisse der chemischen Analysen mittels Vakuumschmelzen der entsprechenden Proben, die den Ausgangsmaterialien und den verschiedenen, während dieser Abläufe gebildeten Materialien entnommen wurden, sind nachfolgend angegebene

Beispiel 2 (Titan 130) Ausgangsm&terial

Durchmesser der Partikel 600 bis

2000 /um

bis zu 600 /Uli

1900 ppm Sauerstoff

1800 ppm " 1800 ppm η

Beispiel 3 (Titan 318-Legierung)

Ausgangsmaterial

Durciimesser der Partikel 1000 bis

1200 /am

6OU - 710 /um

25Ο - 600 /um

bis zu 250 /um

2200 ppm Sauerstoff

I9OO ppm "

2000 ppm "

2100 ppm "

21C0 ppm "

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Patentansprüche

Claims (2)

1. Patentansprüche :

   1 ο Verfahren zur Herstellung von Partikeln aus einem Material durch Bilden eines Bogens zwischen einer Elektrode und einem gekühlten Tiegel von elektrisch leitfähigem Material, Überführen des Materials in einen geschmolzenen Zustand in dem Tiegel unter gleichzeitigem Drehen des Tiegels um seine Symmetrie-Achse, wodurch Tropfen des geschmolzenen Materials herausgeschleudert werden und Verfestigenlassen der Tropfen des geschmolzenen Materials ohne wesentliehen Kontakt mit einer festen Oberfläche, dadurch gekennzeichnet , daß man ein Material verwendet, das kein feuerfestes Metall ist und daß das Verfahren in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die nicht mehr als 10 ^J Atmosphären Partialdruck an freiem oder gebundenem Sauerstoff enthält.
2. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Ausgangsmaterial ein Metall verwendet, dessen Oxid nicht durch Erhitzen mit Wasserstoff reduziert werden kann oder daß man eine Legierung verwendet, die einen wesentlichen Anteil eines solchen Metalls enthält»

   3ο Verfahren gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man das Metall in einen geschmolzenen Zustand in dem Tiegel mittels 209824/0758 _₁₃_

   einer verbrauchteren Elektrode überführt, die aus den Metallen gebildet ist und vertikal über dem Tiegel angeordnet ist, wobei die Metallelektrode abwärts so schnell nachgeschoben wird, wie ihre Spitze durch Schmelzen und Fallen in den Tiegel entfernt wirdo

   4· ITißht feuerfeste Metallpartikel, sofern sie nach dem Verfahren gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche hergestellt λ sind ο

   5 ο Nicht feuerfeste Metallpartikel gemäß Anspruch 4> gekennzeichnet durch eine Größe von nicht mehr als 2000 /um und einen Sauerstoffgehalt von nicht mehr als 25ΟΟ ppm.

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