DE2336339C3

DE2336339C3 - Verfahren zur Herstellung kugelförmiger hohler Partikel aus Metall und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2336339C3
Application number: DE19732336339
Authority: DE
Inventors: Itaru Nagoya; Hashimoto Kametaro; Ushitani Kenji; Shibata Masashi; Takahashi Yoshitaka; Toyota; Aichi Niimi (Japan)
Original assignee: Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1972-07-17
Filing date: 1973-07-17
Publication date: 1976-04-08

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstelhing kugelförmiger hohler Partikeln aus Metall, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bekannte Verfahren dieser Art (Kieffer— Hotop, »Sintereisen und Sinterstahl« [1948], S. 30, 31) gehen von einer hochkohlenstoffhaltigen Stahlschmelze aus, aus der durch Zerstäuben dadurch ein Feinpulver gebildet wird, daß sich die zerstäubten Roheisentröpfchen vor dem Einfallen in das Wasser eines Austragsgefäßes mit einer starken Oxid- bzw. Zunderschicht überziehen, die — wegen des hohen Kohlenstoffgehaltes — zur Entkohlung der Roheisentröofchen führt, so daß sich diese unter Kohlenoxidentwicklung zu Hohlkugeln aufblasen. Um diesei Effekt zu gewährleisten, ist ein Kohlenstoffgehalt voi etwa 5% in der Metallschmelze erforderlich; da bringt aber wiederum mit sich, daß ein relativ hohe Prozentsatz der entstehenden feirpulverigen Hohl partikeln aufplatzt (a. a. O., S. 31, Zeile 3/4).

Die Größe der nach diesem bekannten Verfahre] hergestellten Partikeln lieg« weit überwiegend ii einem Bereich von weniger als 0,4 mm, wobei eim Veränderung der Parameter bei Durchführung de Verfahrens in dieser Hinsicht auf die Korngrößen verteilung des entstehenden Feinpulvers nur relatr wenig Einfluß hat.

Das nach diesem bekannten Verfahren nach einen weiteren Veifahrensschritt, in dem es geglüht wird entstehende und — soweit es nicht aufgeplatzt ist durch Metallkugeln mit einer inneren Kugel aus ent kohltem Roheisen und einem Überzug aus Eisen schwamm gebildete Feinpulver eignet sich zwar zui Verpressung; ist jedoch wegen der dargestellter Nachteile nicht zur Herstellung von größeren Parti kein geeignet, bei deren nachfolgendem Verwen dungszweck ein Aufplatzen unerwünscht ist und be denen, ebenfalls im Hinblick auf den späteren Verwendungszweck durch Veränderung der Verfahrens parameter die Wandstärke beeinflußbar sein soll. Al: derartige Anwendungszwecke kommt die Bildung zu sammengefügter Massen mit oder ohne Binde- unc Füllmittel, insbesondere zum Aufbau leichtgewichtiger Strukturen, sowie stoßdämpfender oder hitzebe ständiger Materialien in Frage.

Zum Zerstäuben von Flüssigkeiten, so unter anderem Metallschmelzen, sind ferner Verfahren bekanntgeworden (DT-AS 14 58 002, DT-AS 1178 679 DEW-Technische Berichte, Bd. 12 [1972], Heft 1. S. 35 bis 40, insbesondere S. 37, 39), bei denen untei anderem durch das Auspressen von Wasser aus einem konisch und auf einen bestimmten Punkt hin als Kegelspitze ausgerichtet ausgebildeten ringförmigen Spalt ein Wasserfilm bzw. -schleier entsteht, der die Form eines Kegelmantels hat, wobei die Metallschmelze in die Spitze des Kegelmantels eingeführt wird. Die Zerstäubung der Metallschmelze erfolgt dadurch, daß dieser geschlossene Wasserfilm bzw. -schleier eine möglichst feine Aufteilung der Schmelze bei Durchstoßen des Wasserfilms bzw. -Schleiers erzwingt, so daß, wie bei diesem Verfahren angestrebt, ein feiners Pulver mit einer Korngröße von weniger als 0,4 mm entsteht, dessen einzelne Pulverteilchen massiv und nicht hohl sind. Dabei wird zum Teil (DT-AS 1178 679) ein extrem spitzer Winkel zwischen dem Preßwassermantel und der Metallspitze angestrebt, zum anderen besonderer Wert darauf gelegt, die Ausbildung des Pulvers, sofern es insbesondere für metallurgische Zwecke verwendbar sein soll (DEW-Technische Berichte, a.a.O.) durch Ausbildung der Druckverhältnisse in der Spitze des durch das Wasser gebildeten Kegelmantels zu steuern mit dem Ergebnis, daß, sofern der Film bzw. Schleier durch Wasser gebildet wird, kantige Teilchen entstehen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Herstellung kugelförmiger hohler Partikeln zu schaffen, bei dem auch größere und für die oben angegebenen Anwendungszwecke einsetzbare kugelförmige hohle Partikeln geschaffen werden, das gleichzeitig eine Steuerung der Dichte und der Wandstärke der hohlen Partikeln er-

ggljct. Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, jjaß eine Metallschmelzenströmung durch einen Punkt jähdurchgeleitet wird, in dem mehrere zueinander ^jjgförmig angeordnete linienförmige Wasserstrahlen icenvergieren.

; Die Aufteilung der Metallschmelze in relativ große Partikeln ist dabei insbesondere der linienförrnigen Ausbildung der einzelnen Wasserstrahlen zuzuschreiben, die es — im Gegensatz zu den Wasserfilmen ibzw. -Schleiern der bekannten Verfahren — ermög- to liehen, daß die Metallschmelze nicht in relativ feinkörniges Pulver zerstäubt wird und daß die dadurch lufgeteihen Tropfen der Metallschmelze Wassertröpfchen einschließen, die Gase bilden, die zur Ausbildung des inneren Hohlraums der Partikeln führen und es gleichzeitig ermöglichen, durch Beeinflussung <ier Parameter des Verfahrens, wie das weiter unten im einzelnen noch dargelegt werde,, wird, die Wandstärke der kugelförmigen hohlen Partikeln zu bestimmen. Derartige kugelförmige hohle Partikeln eignen sich gerade aus diesem Grunde, d. h. weil Durchmesser, Wandstärke, Härte usw. in gewissen Grenzen besser als bei den bekannten Verfahren einflußbar sind, zur Herstellung zusammengefügter Massen mit oder ohne Binde- und Füllmittel, sowie zur Herstellung jedweder leichtgewichtiger Strukturen, so stoßdämpfender oder hitzebeständiger Materialien.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es stellt dar

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Wasserstrahldüse zur Durchführung des Verfahrens,

F i g. 2 eine teilweise Draufsicht auf die Unterseite der Anordnung nach F i g. 1,

Fig. 3 einen vergrößerten teilweisen Querschnitt durch den Spalt einer Wasserstrahldüse nach Fig. 1, F i g. 4 einen vergrößerten, teilweisen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Wasserstrahldüse zur Durchführung des Verfahrens,

F i g. 5 eine teilweise Draufsicht auf eine Wasserstrahldüse gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,

F i g. 6 eine Darstellung der kummulativen Verteilung der Partikelgröße (Durchmesser der Partikeln in mm entlang der Abszisse und Prozentsatz der Partikeln, die nicht größer als der auf der Abszisse angegebene Wert sind, auf der Ordinate in %>),

F i g. 7 eine Darstellung der Beziehung zwischen dem Durchmesser und der Dichte der Partikeln (Größe auf der Abszisse in mm und die Dichte auf der Ordinate),

F i g. 8 eine Darstellung der Beziehung zwischen dem Durchmesser und der Wandstärke der Partikeln (Durchmesser auf der Abszisse und Wandstärke auf der Ordinate jeweils in mm).

Die Herstellung der kugelförmigen hohlen Partikeln hängt von der Qualität der Metallschmelze, dem Wasserdruck der Strahlströmung und der Art und Weise des Aufpralls der Wasserstrahlen auf die Metallschmelze ab. Dabei erfolgt die Erzeugung von linearen Wasserstrahlen durch eine ringförmige Anordnung derselben, und zwar derart, daß sie an einem einzigen Punkt zusammentreffen (konvergieren), durch diesen Ring von Wasserstrahlen bzw. durch diesen Punkt ihrer Konvergenz wird die Metallschmelze als dünner Strom hindurchgeleitet.
Fig. 1 zeigt die Wasserstrahldüse zur Herstellung kugelförmiger hohler Partikeln aus Eisen oder einer Eisenlegierung im Querschnitt. Sie besteht aus dem Kern 1, dem Gehäuse 2 und dem Ring 3. Der Kern 1 ist als hohler Zylinder ausgebildet, dessen eines Ende außen derart abgeschrägt ist, daß es sich konisch verjüngt; der Konus hat den Winkel a. Am anderen Ende ist ein Außengewinde 9 vorgesehen. Ist der Kern 1 im Gehäuse 2 eingeschraubt, kann seine vertikale Stellung im Gehäuse 2 mit Hilfe des Außengewindes 9 dadurch justieren, daß man ihn dreht. Ein entsprechendes Innengewinde 9' ist in der Oberseite des Gehäuses 2 vorgesehen; darin greift das Außengewinde 9 ein. Seitlich in der Wand des Gehäuses 2 sind zwei Wasserzuführungsöffnungen 6 vorgesehen. Der Ring 3 weist in seiner Mitte eine Öffnung auf, deren Querschnitt sich nach unten (F i g. i) hin konisch verjüngt. Der Konus hat einen öffnungswinkel ß: er ist etwas größer als der Winkel * des Konus an der Außenseite des Kerns 1. Der Ring 3 paßt um das untere Ende des Kerns 1 herum und ist mit Bolzen 4 am Gehäuse 2 befestigt.

Wie aus F i g. 2 zu ersehen, ist um die öffnung in der Mitte des Ringes 3 eine Reihe von kleinen Schlitzen 12 vorgesehen; sie haben eine Breite von 0,1 bis 0,5 mm und eine Tiefe von 0,05 bis 0,3 mm. Die Schlitze sind in gleichen Abständen von 0,1 bis 1 mm um die öffnung des Ringes 3 herum vorgesehen.

Der geschlitzte Ring und der schlitzlose glatte Konus des Kerns 1 definieren zwischen sich einen Spalt 8. Diesen ringförmigen Spalt 8 kann man in ähnlicher Weise auch dadurch schaffen, daß man entlang des Umfangs des Konus am Kern 1 Schlitze anbringt und den Konus der öffnung im Ring 3 schlitzlos ausbildet.

Fig. 3 ist eine vergrößerte Darstellung einer Wasserstrahldüse, bei der die Schlitze 12 in den Ring 3 eingeschnitten sind; Fig. 4 ist eine vergrößerte Darstellung einer Wasserstrahldüse, bei der die Schlitze 12 in den Kern 1 eingeschnitten sind. Eine weitere alternative Ausführungsform ist in F i g. 5 dargestellt, die die Unterseite einer Wasserstrahldüse zeigt. Dabei sind Schlitze 12 in Form kleiner öffnungen entlang des Umfanges der aneinanderstoßenden Außenflächen des Rings 3 und des Kerns 1 vorgesehen; diese Flächen sind dicht aneinandergefügt. Die Strahlen, die durch die Schlitze 12 austreten, konvergieren derart, daß sie einen auf dem Kopf stehenden Kegel bilden.

Durch die Wasserzuführungsöffnungen6 (Fig. 1) wird dem Raum 7, der vom Gehäuse 2 umschlossen wird, Wasser zugeleitet. Es tritt aus dem ringförmigen Spalt 8 zwischen Kern 1 und Ring 3 als ein auf dem Kopf stehender Kegel linearer Wasserstrahlen aus. Da die innere Fläche des Rings 3 mit Schlitzen 12 versehen ist, bildet das Wasser, das zwischen der ebenen Oberfläche des Konus am Kern 1 und jedem der Schlitze 12 austritt, jeweils eine feine Linie. Die Dicke dieser als feine Linie ausgebildeten Wasserströmung kann durch Justierung des Spaltes zwischen dem Ring 3 und der konischen Außenfläche des Kerns 1 oder durch Verwendung verschiedener Ringe 3, die Schlitze 12 unterschiedlicher Breite und Tiefe versehen sind, eingestellt werden.

Die mittlere öffnung im Kern 1 ist mit der mittleren öffnung im Ring 3 so ausgerichtet, daß das Wasser dem geschlitzten ringförmigen Spalt entlang seines Umfangs gleichmäßig zugeführt wird. Um dies

zu gewährleisten, ist der Kern 1 in das Gehäuse 2 eingeschraubt; dann werden die Bolzen 4 angezogen, während Kern 1 und Gehäuse 2 miteinander koaxial ausgerichtet sind.

Die Wasserströmung, die aus dem ringförmigen Spalt der Wasserstrahldüse austritt, ist so entlang des Umfangs des Spaltes 8 gleichmäßig verteilt und tritt in Form linienförmiger Strahlen aus den kleinen Schlitzen 12, die auf der Innenseite des Ringes 3 vorgesehen sind, aus.

Bei dem Material, aus dem die kugeförmigen hohlen Partikeln hergestellt werden, und aus dem die Metallschmelze erstellt wird, handelt es sich um Eisen oder um eine Eisenlegierung, der zumindest einer der folgenden Bestandteile innerhalb der angegebenen Gewichtsbereiche zugegeben ist: 1 bis 2O°/o Nickel, 1 bis 10%> Kupfer, 0,1 bis 5%. Graphit, 0,1 bis 5«/o Silicium, 0,01 bis 2«/o Schwefel, 0,01 bis 2»/o Phosphor, 0,1 bis 10% Mangan, 0,1 bis 5%> Chrom und 0,005 bis 3% Aluminium; sofern die Eigenschaften jedoch gleichwertig sind, können auch andere Metall bzw. Metallegierungen als Schmelzen verwendet werden.

Die Metallschmelze wird in den Kern 1 der Wasserstrahldüse nach Fig. 1 aus einem Schmelztiegel eingeleitet. Ein Schmelztiegel weist, um diese Zuleitung zu ermöglichen, an seiner Unterseite eine öffnung von 2 bis 10 mm 0 auf. Es ergibt sich demzufolge ein 2 bis 10 mm dicker Metallschmelzenstrom 5, der die Innenöffnung des Kems 1 nach unten durchfällt. Das Auftreffen des Wasserstrahls auf den Metallschmelzenstrom 5 bewirkt, daß dieser in Tröpfchen aufgebrochen wird, die kreisförmige hohle Partikeln bilden. Das ergibt sich beim Zusammenwirken der Wasserstrahlen mit der Metallschmelze. Die kugelförmigen Partikeln fallen dann in Wasser, das unterhalb der Düse angeordnet ist, und werden nach entsprechender Abkühlung eingesammelt.

Das fein geschmolzene Metall passiert, nachdem es durch die öffnung in der Mitte des Kerns 1 hindurchgefallen ist, die linienförmigen Wasserstrahlen, die aus dem ringförmigen Spalt 8 austreten. Das Wasser bricht dann, wie bereits erwähnt, den Metallschmelzenstrom in einzelne Teilchen auf, d. h., es »fragmentiert« ihn. In Tröpfchen der Metallschmelze werden die Wassertröpfchen eingeschlossen. Sie spalten sich infolge der Hitze in H₂- und O₂-Gase auf; mit dem in Form von Graphit zur Verfügung gestellten C in der Metallschmelze reagieren diese Wassertröpfcheri und bilden CO- und CO=-Gase. Mit dem Erstarren der Schmelze werden diese H₂-, O₂-, CO-, CO₂- und SO₂-GaSC, die sich durch Reaktion des Wassers mit der Metallschmelze bilden, zusammen mit den H₂-, O₂- und N₂-Gasen, die in der Metallschmelze gelöst sind, frei und bewirken, daß sich die Tröpfchen der Metallschmelze von innen her expandieren bzw. sich aufweiten und damit im Inneren derselben einen Hohlraum bilden. Auf diese Weise bilden sich die hohlen kugelförmigen Partikeln. Nun hat die linienförmige Wasserströmung eine geringere Kühlkapazität als eine flächige Strömung. Demgemäß wird die Kühlung der Metallschmelze beim Durchtreten durch die linienförmige Wasserströmung verzögert. Das hat zur Folge, daß die Tröpfchen der Metallschmelze infolge ihrer Oberflächenspannung kugelförmige Form annehmen. Auf diese Weise entstehen die hohlen kugelförmigen Partikeln. Würde man eine kontinuierliche flächenaitige Strömung mit gleichmäßiger Dicke aus einer entsprechenden Wasserstrahldüse mit einem Ring und einem Kern mit jeweils glatter konischer Verjüngung, also ohne derartige Schlitze, austreten lassen, wäre es wahrscheinlich kaum möglich, solche hohlen Partikeln zu erzeugen. Als Folge der Konvergenz der Wasserströmung in Form eines auf der Spitze stehenden Kegels werden die Tröpfchen der Metallschmelze, die

ίο aus dem Schmelztiegel ausfließt, von der geneigten Oberfläche des auf der Spitze stehenden Kegels, der durch die Wasserstrahlen gebildet wird, eingefangen. Diese beschriebene Art der Herstellung der hohlen Partikeln ist äußerst wirtschaftlich.

Im folgenden werden einige Beispiele des Herstellungsverfahrens gegeben; sie sind jedoch ausdrücklich lediglich als Ausführungsbeispiele aufzufassen, von denen im Rahmen des aufgeführten Erfindungsgedankens Abweichungen möglich sind. Die

ao gemachten Prozentangaben betreffen dabei jeweils Gewichtsprozente.

Beispiel 1

15 kg Eisen in Form von Elektrolyt-Eisen und einer kaltgewalzten Stahlplatte wurden zusammen mit einer Zugabe von 5°/o Graphit geschmolzen und auf einer Temperatur von 1800° C gehalten. Die Schmelze wurde in einen Schmelztiegel gegossen und aus diesem durch eine im Durchmesser 5 mm große öffnung in dessen Boden abgegossen. Der Metallschmelzenstrom 5 (vgl. Fi g. 1) wurde einem Wasserstrahl ausgesetzt, der mit einem Druck von 10 kg/cm²

und einer Flußmenge von 55 l/min aus der Wasserstrahldüse ausströmte. Die Winkel betrugen: <\ = 40° und β = 45°. Der ringförmige Spalt 8 war 0,15 mm. Man erhielt kugelförmige hohle Partikeln aus Eisen, deren durchschnittlicher Durchmesser 0,5 bis 15 mm und deren Wandstärke 0,1 bis 0,7 mm war.

Beispiel 2

Es wurden wiederum 15 kg Elektrolyt-Eisen und eine kaltgewalzte Stahlplatte mit einem Zusatz von 5°/o Kohlenstoff in Form von Graphit eingeschmolzen und auf einer Temperatur von 1800° C gehalten. Die Metallschmelze wurde aus einer öffnung im

Boden eines Schmelztiegels mit einem Durchmesser von 5 mm abgegossen. Dieser Metallschmelzenstrom 5 wurde einem Wasserstrahl ausgesetzt, der mit 30 kg/cm² und 55 l/min aus der Wasserstrahldüse austrat. Die Winkel betrugen: χ = 40° und β = 45°. Der ringförmige Spalt 8 betrug 0,05 mm. Man erhielt kugelförmige hohle Partikeln aus Eisen, deren durchschnittlicher Durchmesser 0,5 bis 15 mm und deren Wandstärke 0,1 bis 0,7 mm war.

Beispiel 3

wal; schi geh; nun eint sch' unc düs

ß - Ok ma Du stä

ph sei gel nu ei! se sti 5f

tr k< z\

Es wurden 15 kg Elektrolyt-Eisen und kaltgewalzte Stahlplatte mit einer Zugabe von 5% Graphit geschmolzen und auf einer Temperatur von 1800° C gehalten. Die Metallschmelze wurde durch eine öffnung in einem Schmelztiegel mit einem Durchmesser von 9 mm abgegossen; der Metallschmelzenstrom 5

wurde einem Wasserstrahl von 10 kg/cm² und 55 l/min ausgesetzt, der aus einer Wasserstrahldüse austrat. Die Winkel betrugen: α = 40° und β = 45°. Der ringförmige Spalte betrug 0,15mm. Es ergaben sich kugelförmige hohle Partikeln aus Eisen, deren durchschnittlicher Durchmesser zwischen 0,5 und 17 mm und deren Wandstärke 0,1 bis 0,8 mm war.

Beispiel 4

Es wurden 15 kg aus Elektrolyt-Eisen und kaltgewalzte Stahlplatte unter Zugabe von 5 «Vo Graphit geschmolzen und auf einer Temperatur von 1800° C gehalten. Die Metallschmelze wurde aus einer Öffnung mit einem Durchmesser von 9 mm am Boden eines Schmelztiegels abgegossen und der Metallschmelzenstrom S einem Wasserstrahl von 55 l/min und 30 kg/cm² ausgesetzt, der aus der Wasserstrahldüse austrit. Die Winkel betrugen: λ = 40° und β = 45°; der ringförmige Spalt 8 betrug 0,05 mm. Die kugelförmigen hohlen Partikeln aus Eisen, die man dabei erhielt, hatten einen durchschnittlichen Durchmesser von 0,5 bis 15 mm und eine Wandstärke von 0,1 bis 0,8 mm.

Beispiel 5 Beispiel 7

15 kg Elektrolyt-Eisen und kaltgewalzte Stahlplatte wurden unter Zugabe von 4°/o Graphit und 2,5 Vo Silicon-Eisen geschmolzen und die Schmelze auf einer Temperatur von 1700° C gehalten. Die Schmelze wurde dann über eine öffnung von 5 mm im Boden eines Schmelztiegels abgegossen und der Metallschmelzenstrom 5 einem Wasserstrahl ausgesetzt, der mit 5 kg/cm² und 55 l/min aus der Wasserstrahldüse austrat; diese Winkel betrugen: a = 40° und β = 45°. Der ringförmige Spalt 8 betrug 0,3 mm. Man erhielt kugelförmige hohle Partikeln aus Eisen, deren durchschnittlicher Durchmesser zwischen 0,5 ίο und 15 mm und deren Wandstärke zwischen 0,1 und 0,6 mm lag.

15 kg Elektrolyt-Eisen und kaltgewalzte Stahlplatte wurden unter Zugabe von 3°/o Graphit geschmolzen und auf einer Temperatur von 1650° C gehalten. Die Metallschmelze wurde über eine öffnung mit dem Durchmesser von 6 mm im Boden eines Schmelztiegels abgegossen und der Metallschmelzenstrom 5 der Metallschmelze einem Wasserstrahl ausgesetzt, der aus der Wasserstrahldüse mit 55 l/min und 10 kg/cm² austrat. Die Winkel betrugen: α = 40° und β = 45°. Der ringförmige Spalt 8 betrug 0,15 mm. Man erhielt kugelförmige hohle Partikeln aus Eisen, deren durchschnittliche Durchmesser zwischen 0,5 und 18 mm und deren Wandstärke zwischen 0,2 und 1,0 mm bitrug.

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Beispiel 6

Es wurden 15 kg Elektrolyt-Eisen und kaltgewalzte Stahlplatte unter Zugabe von 3% Graphit geschmolzen und auf einer Temperatur von 1650° C gehalten. Die Metallschmelze wurde durch eine öffnung mit 6 mm 0 am Boden eines Schmelztiegels abgegossen; der fallende Metallschmelzenstrom 5 wurde einem Wasserstrahl ausgesetzt, der mit 30 kg/cm² und 55 l/min aus der Wasserstrahldüse austrat; dabei betrugen die Winkel: α = 40° und fl = 45°. Der ringförmige Spalte betrug 0,2mm. Man erhielt kugelförmige hohle Partikeln aus Eisen, deren durchschnittlicher Durchmesser zwischen 0,5 und 15 mm und deren Wandstärke zwischen 0,2 und 0,9 mm lag.

Beispiel 8

15 kg Elektrolyt-Eisen und kaltgewalzte Stahlplatte wurden unter Zugabe von 3 °/o Graphit und 2°/o Mangan geschmolzen und die Schmelze auf einer Temperatur von 1800⁰C gehalten. Das geschmolzene Metall wurde über eine Öffnung von 5 mm im Boden eines Schmelztiegels abgegossen und der herabströmende Metallschmelzenstrom 5 einem Wasserstrahl ausgesetzt, der mit 10 kg/cm² und 55 1/ min aus der Wasserstrahldüse austrat; die Winkel betrugen: α = 40° und β — 45°. Der ringförmige Spalt 8 betrug 0,15 mm. Man erhielt kugelförmige hohle Partikeln aus Eisen, deren durchschnittlicher Durchmesser zwischen 0,5 und 17 mm und deren Wandstärke zwischen 0,2 und 1,0 mm lag.

Beispiel 9

15 kg Elektrolyt-Eisen und kaltgewalzte Stahlplatte wurden unter Zugabe von 3 °/o Graphit, 2,5 °/o Silicium, 0,5 ^δ/Ό Phosphor und 0,1 °,Ό Schwefel geschmolzen und auf einer Temperatur von 1800° C gehalten. Die Metallschmelze wurde durch eine öffnung von 5 mm am Boden eines Schmelztiegels abgegossen und der fallende Metallschmelzenstrom 5 einem Wasserstrahl ausgesetzt, der mit 10 kg/cm² und 55 l/min aus der Wasserstrahldüse austrat; die Winkel betrugen: « = 40° und β = 45°. Der ringförmige Spalt 8 betrug 1,5 mm. Man erhielt kugelförmige hohle Partikeln aus Eisen, deren durchschnittlicher Durchmesser zwischen 0,5 und 18 mm und deren Wandstärke zwischen 0,1 und 0,7 mm lag.

Beispiel 10

15 kg Elektrolyt-Eisen und kaltgewalzte Stahlplatte wurden unter Zusatz von 3°/e Graphit, 2,5% Silicium, 0,5 % Phosphor und 0,1 %> Schwefel geschmolzen und auf einer Temperatur von 1800⁰C gehalten. Die Metallschmelze wurde über eine öffnung von 9 mm im Boden eines Schmelztiegels abgegossen und der fallende Metallschmelzenstrom 5 einem Wasserstrahl ausgesetzt, der mit 20 kg/cm² und 55 l/min aus der Wasserstrahldüse austrat; die Winkel waren: « = 40° und /? = 45°. Der ringförmige Spalt 8 betrug 0,1 mm. Man erhielt kugelförmige hohle Partikeln aus Eisen, deren durchschnittlicher Durchmesser 0,5 bis 18 mm und deren Wandstärke 0,2 bis 1,5 mm betrug.

Die Herstellungsbedingungen und Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

609 615/266

	9	Herstellung	23	36 339	Breite des ringförmi	V	10	Kugelf. Hohlpart.	Wand stärke
	Zusammensetzung der Schmelze			gen Spalts		Durch messer
					Druck d. Wasserstr.
Beispiel		Schmelz temperatur	Durch messer der
			Schmelz-	(mm)			(mm)
	(in Gewichtsprozent)		tiegel-	0,15		(mm)	0,1 bis 0,7
	Fe+ G (5 Vo)		öffnung	0,05	(kg/cm=)	0,5 bis 15	0,1 bis 0,7
	Fe + G (5 Vo)	(⁰C)	(mm)	0,15	10	0,5 bis 15	0,1 bis 0,8
1	Fe+ G (5 Vo)	1800	5	0,05	30	0,5 bis 17	0,1 bis 0,8
2	Fe+ G (5 Vo)	1800	5	0,15	10	0,5 bis 15	0,2 bis 1,0
3	Fe+ G (3 Vo)	1800	9	0,10	30	0,5 bis 18	0,2 bis 0,9
4	Fe + G (3 Vo)	1800	9	0,30	10	0,5 bis 15	0,1 bis 0,6
5	Fe + Si(2,5Vo) + G(4Vo)	1650	6	0,15	30	0,5 bis 15	0,2 bis 1,0
6	Fe + Mn(2Vo) + G(3Vo)	1650	6	0,30	5	0,5 bis 17	0,1 bis 0,7
7	Fe + G(3Vo) + SiC2,5Vo)	1700	5		10	0,5 bis 18
8	+ P(O,5Vo) + S(O,lVo)	1800	5	0,12	5		0,2 bis 1,4
9	Fe	1550	5		0,5 bis 18
			20
10	1850	9

F i g. 6 zeigt die kumulative Verteilung der Par- Hindurchfallen einer Metallschmelze durch eine Wastikelgröße der hohlen Partikeln gemäß den oben an- serstrahldüse, deren geschlitzter Spalt zumindest eine gegebenen Ausführungsbeispielen. Fig. 7 zeigt die Annäherung einer Vielzahl einzelner konvergierender Beziehung zwischen dem Durchmesser und der Wasserstrahlen abgibt. Viskosität, Dichte und Wand-Dichte der Partikeln. F i g. 8 zeigt die Beziehung 30 stärke dieser Partikeln hängen von der Beziehung der zwischen dem Durchmesser und der Wandstärke der auftreffenden Wassermenge und der hindurchfließen-

Partikeln.

Je nach Qualität der Metallschmelze und Nachbehandlung der kugelförmigen hohlen Partikeln kann man folgende Eigenschaften erreichen:

(1) Hohle Partikeln aus Eisen, die man aus einer Metallschmelze unter Zusatz von Graphit gewonnen hat, können derart nachbearbeitet werden, daß man jeden beliebigen Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0 bis 4Vo erhält; dies geschieht durch Trocknen in 40 Heißluft nach Reduktion und Entkohlung in einer Atmosphäre aus Wasserstoffgas, gespaltenem Ammoniakgas oder einem endothermischen Gas.

den Menge der Metallschmelze ab; diese hängen wiederum vom Druck und der Qualität, der Temperatur der Schmelze und dem Durchmesser der öffnung im 35 Schmelztiegel, durch die die Schmelze ausfließt, ab.

Die Einflußnahme auf die Viskosität, die Dichte und die Wandstärke durch Veränderung der Wasserstrahldüse und der Bedingungen der Schmelze werden im folgenden angegeben:

(1) Bei jeweils gleicher Beschaffenheit der Metallschmelze hat die Größe der hohlen Partikeln die Tendenz, mit Zunahme des Durchmessers der öffnung im Boden des Schmelztiegels, durch die die

(2) Hohle Partikeln aus Eisen, die man aus einer Schmelze abgegossen wird, ebenfalls zuzunehmen; Metallschmelze unter Zusatz von Graphit erhält, wei- 45 das bestätigen die Kurven in Fig. 6. Man vergleiche sen ein für schnelle Abschreckung typisches Gefüge die Kurven für die Beispiele 2 und 4, bei denen es auf und haben eine Vickers-Härte von 400 bis 600; sich um eine Schmelze mit Graphit-Gehalt von 5% durch Einstellung des Kohlenstoffgehalts im Zuge handelte. Bei Beispiel 2 war die öffnung im Boden einer Behandlung nach (1) und darauffolgendes Glü- des Schmelztiegels 5 mm; beim Beispiel 4 war sie hen kann aber Härte in den Bereich von HV 80 bis 50 9 mm.

SOG gebracht werden. Bleibt der Durchmesser der öffnung im Boden des

(3) Hohle Partikeln aus Eisen, die man aus einer Schmelztiegels derselbe, dann zeigt sich die Tendenz, mit Graphit, Mangan, Silicium, Chrom und Alu- daß die Partikelgröße mit einer Abnahme des Drucks minium legierten Eisenschmelze erhält, haben eine des Wasserstrahls, der aus der Wasserstrahldüse aus-Vickers-Härte im Bereich von HV 500 bis 700; mit 55 tritt, geringer wird; man vergleiche die Kurven nach Hilfe der Behandlung nach (2) kann die Härte in Fig.6 für die Beispiele3 und 4. Im Beispiel3 beden Bereich von HV 100 bis 700 gebracht werden. trug der Wasserdruck 10 kg/cm², im Beispiel 4

(4) Hohle Partikeln aus Eisen, die man aus einer 30 kg/cm².

lediglich aus Eisen bestehenden Metallschmelze oder Ferner ergibt sich, daß die Partikelgröße die Ten-

aus einer Mischung einer Eisenschmelze mit zumin- 60 denz hat, kleiner zu werden, wenn man die Viskosität

dest einem der Zusätze Graphit, Mangan, Silicium, der Metallschmelze dadurch verringert, daß man dem

Chrom und Aluminium erhält, können durch eine Eisen Graphit, Mangan Phosphor oder Schwefel bei·

Entkohlung mit Hilfe der Behandlung nach (1), ge- gibt oder die Temperatur der Schmelze erhöht. Dai

folgt von einer Dampfbehandlung, während der die zeigt ein Vergleich der Beispiele 4 und 10 in Fig. 6 Oberflächen der Partikeln mit einem Film aus Eisen 65 im Beispiel 4 wurde eine Schmelze mit einem ZusaC

oder aus Eisen-, Mangan-, Silicium-, Chrom- oder von 5 Vo Graphit verwendet, im Beispiel 10 eine reüw

Aluminiumoxid überzogen werden, -wannebeständi- Eisenschmelze. Beispieles und 6 betreffen Fälle, π

ger machen. Die hohlen Partikeln entstehen beim denen die Viskosität der Metallschmelze durch Ver

ringerung des Graphitgehaltes auf 3% und Herabsetzung der Temperatur der Schmelze auf 1650⁰C erhöht worden war. Man sieht aus den Kurven, daß sich im Beispiel 5 gegenüber Beispiel 1 eine Erhöhung der Partikelgröße ergibt. Beispiel 7 zeigt gegenüber Beispiel 1 eine Abnahme in der Temperatur der Schmelze; ferner wurden 4⁰Ai Graphit und 2,5 % Silicium dem Eisen beigegeben; so ergab sich eine Erhöhung der Viskosität der Metallschmelze. Man erhielt hohle Partikeln aus Eisen mit ähnlicher Verteilung der Partikelgröße wie in Beispiel 1, in dem man Wasserstrahlen mit relativ geringem Druck, nämlich mit 5 kg/cm², verwendete, die auf die Metallschmelze auftrafen. Im Beispiel 8 wurde die Beimengung von Graphit auf 3 % verringert, es wurden jedoch 2 Vo Mangan zugeführt; man erhielt so Partikeln mit einer ähnlichen Verteilung der Partikelgröße wie in Beispiel 1. Beispiel 9 zeigt, daß selbst bei einer relativ geringen Temperatur der Metallschmelze, also z. B. bei 1550° C hohle Partikeln aus Eisen dadurch hergestellt werden können, daß man 2,5 °/o Silicium und 1,5% Phosphor, wie auch 3 % Graphit zufügt, um die Viskosität der Schmelze zu verringern. In diesem Fall dient die Beimengung von etwas Schwefel nicht nur dazu, daß die Viskosität der Schmelze herabgesetzt wird, sondern auch dazu, daß durch Reaktion mit dem Wasserstrahl SO₂-Gas erzeugt wird, das dann zusätzlich zu den anderen entstehenden Gasen, nämlich H₂O, H₂, O₂, CO und CO., vorhanden ist und zur Aufweitung der hohlen Partikeln beiträgt. Beispiel 10 zeigt die Möglichkeit der Herstellung von hohlen Partikeln aus reinem Eisen ohne Beimengung irgendwelcher Zusätze. In diesem Fall reiner Eisenschmelze mit hoher Viskosität hat die Verteilung der Partikclgröße die Tendenz, sich in einem Bereich hohen Durchmessers zu konzentrieren, wie dies die Kurve in F i g. 6 zeigt. (2) Die Dichte der Hohlpartikeln des Eisens hängt vom Durchmesser der Partikeln ab. Das folgt daraus, daß die Wandstärke der Partikeln vom Durchmesser der Partikeln abhängt. Im folgenden wird nun erläutert, wie die Dichte und die Wandstärke für denselben Partikeldurchmesser beeinflußt werden können. Aus allen Beispielen zeigt sich, daß die Dichte der hohlen Partikeln je geringer, je größer der Partikeldurchmesser ist (F i g. 7). Das ist deshalb so, weil bei allen diesen Beispielen das Anwachsen der Wandstärke langsamer als die Zunahme des Durchmessers vor sich geht. Bleibt jedoch der Partikeldurchmesser derselbe, so ergibt sich (aus F i g. 7), daß die Dichte für diejenigen hohlen Partikeln am geringsten ist, die man von einer Eisenschmelze erhält, der, wie in den Beispielen 2 und 4, 5% Graphit zugesetzt wurden, und daß sie die höchste für diejenigen Partikeln ist, die man aus einer reinen Eisenschmelze, wie nach Beispiel 10, gewinnt. Die Dichte der Partikeln, aus einer Schmelze mit Zusatz von Graphit, Silicium, Mangan, Phosphor und Schwefel liegt in der Mitte zwischen den Werten für die Beispiele 2 und 10; typisch dafür ist Beispiel 8.

F i g. 8 zeigt die Wandstärke der Partikeln nach Beispiel 2, 4, 8 und 10; die Wandstärke ist an Stelle der Dichte der Partikeln, wie in Fi g. 7, aufgetragen. An Hand dieser Darstellung kann man erkennen, daß es möglich ist, die Expansion der hohlen Partikeln dadurch zu erleichtern, daß man durch Zusätze von Graphit, Silicium, Mangan, Phosphor und Schwefel die Viskosität der Eisenschmelze verringert und ferner Gase, wie z. B. CO, CO₂, SO₂ usw., durch Reaktion zwischen dem Wasserstrahl mit dem Graphit und dem Schwefel entstehen läßt; so verringert man die Wandstärke durch eine Verringerung der Dichte bei gleichbleibendem Partikeldurchmesser. Selbst bei Verwendung von Metallschmelzen gleicher Beschaffenheit kann man Dichte und Wandstärke für jeweils dieselbe Partikelgröße dadurch steuern, daß der Durchmesser der Schmelztiegelöffnung und der

ίο geschlitzte Spalt der Wasserstrahldüse entsprechend eingestellt wird.

Das erläuterte Herstellungsverfahren hat bei dem typischerweise verwendeten Material, d. h. bei Eisen, folgende Vorteile:

(1) Es eignet sich zur Massenproduktion von hohlen Partikeln aus Eisen oder Eisenlegierungen.

(2) Durchmesser, die Dichte und Wandstärke der kugelförmigen hohlen Partikeln aus Eisen oder Eisenlegierungen kann bestimmt werden.

(3) Die Härte der kugelförmigen hohlen Partikeln kann durch eine qualitative Auswahl der Eisenlegierung bestimmt werden.

(4) Es ist äußerst schwierig aus hohlen Partikeln, die aus herkömmlichen keramischen Materialien wie Kohlenstoff, Aluminiumoxiden, Glas oder Aluminium hergestellt werden, zusammenhängende Körper durch einfaches Erhitzen und Sintern herzustellen; hingegen macht es die Erfindung möglich, solche aus einer großen Zahl von kugelförmigen hohlen Par-

tikeln aus Eisen oder einer Eisenlegierung durch einfaches Erhitzen und Sintern ohne Verwendung von Bindemitteln, herzustellen.

(5) Es ist möglich, noch wesentlich festere Strukturen dadurch zu erhalten, daß man^kugelförmige

hohle Partikeln aus Eisen oder einer Eisenlegierung mit Hilfe von Bindemitteln zusammenfügt oder indem man die zwischen den Partikeln entstehenden Hohlräume mit einem Metall, dessen Schmelzpunkt niedriger als der des Eisens ist, oder mit anderem hochmolekularem Material ausfüllt.

(6) Durch Änderung der Proportionen der kugelförmigen hohlen Partikeln aus Eisen oder einei Eisenlegierung, also durch Gewinnung von Partikeln mit verschiedener Größe, Wandstärke und Härte kann die Kompressionsfestigkeit, die stoßdämpfenden Eigenschaften, die Wärmeisolationsfähigkeit und das Gewicht eines aus den Partikeln zusammengefügten Körpers bestimmt werden.

Wegen dieser Eigenschaften und Besonderheiter

können die kugelförmigen hohlen Partikeln aus Eiser oder einer Eisenlegierung gemäß vorliegender ϋΐΐιη dung als Material zur Herstellung von leichtgewich tigen Strukturen, als stoßdämpfendes Material odei afs wärmeisolierendes Material verwendet werden Bei der Beschreibung der Materialien zur Herstel lung der kugelförmigen hohlen Partikeln, wurde je weils auf Eisen bzw. auf Eisenlegierungen Bezug ge nommen. Die Erfindung kann jedoch auch bei Ni um bei Ni-Legierungen, Cu und Cu-Legierungen, Cr um

Cr-Legierungen, Al und Al-Legierungen, sowie be Zn und Zn-Legierungen Verwendung finden. In an deren Worten: Es kann jedes ausdehnbare Materia verwendet werden, das durch Hitzeeinwirkung ge schmolzen und durch Abschrecken (Kühlen) zum Er härten gebracht werden kann. Es kommen somit all· hauptsächlich metallischen Materialien ohne Rück sieht auf ihre Art oder ihren Gehalt an Legierungs bestandteilen in Frage.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung kugelförmiger hohler Partikeln aus Metall, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metallschmelzenströmung (5) durch einen Punkt hindurchgeleitet wird, in dem mehrere zueinander ringförmig angeordnete linienförmige Wasserstrahlen konvergieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Eisen ist.

3. Verfahren nach Anspiuch 1, dadurch gekennzeichnet, daß da» Metall eine Legierung ist, die aus Eisen und zumindest einem Legierungszusatz besteht, der aus folgender Gruppe ausgewählt ist: 1 bis 2O«/o Ni, 1 bis 10% Cu, 0,1 bis 5% Graphit, 0,1 bis 5°/o Silicium, 0,1 bis lO°/o Mn, 0,1 bis 5 % Cr und 0,005 bis 3 »/0 Al.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kern (1) mit einer inneren Durchflußöffnung zum Durchfluß der Metallschmelze (5) vorgesehen ist, dessen Ende sich konisch verjüngt (α), und daß um dieses Ende herum ein Ring (3) angeordnet ist, dessen innere öffnung sich ebenfalls konisch (ß) verjüngt, wobei die Neigungswinkel (*, ß) der beiden konischen Verjüngungen unterschiedlich sind und eine der sich konisch verjüngenden Flächen entweder des Kerns (1) oder des Rings (3) mit einer Mehrzahl von Schlitzen (12) versehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen dem Kern (1) und der öffnung im Ring (3) Raum (8) veränderbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (1) mit einem mit dem Ring (3) verbundenen und mit diesem eine druckaufbauende Kammer (7) bildenden Gehäuse verschiebbar ist.