DE2455889C3

DE2455889C3 - Vorrichtung zum Herstellen von Metall- oder Legierungspulver durch Zerstäuben einer rotierenden Elektrode

Info

Publication number: DE2455889C3
Application number: DE19742455889
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Creusot-Loire, Paris
Priority date: 1973-12-07
Filing date: 1974-11-26
Publication date: 1977-03-31

Description

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Vorrichtung zum Herstellen von Metall- oder Legierungspulver durch Zerstäuben einer rotierenden Elektrode.

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Pulver aus Metallen und Legierungen mit hohem Schmelzpunkt in Form von feinen Kügelchen, deren Abmessung und Eigenschaften gesteuert werden.

Es ist bekannt. Metallpulver nach dem sogenannten Rotationselektroden-Zerstäubungsverfahren (»REP« in USA) zu erhalten. Nach diesem Verfahren wird eine zylindrische oder drehzylinderähnliche Elektrode aus der zu zerstäubenden Legierung um ihre horizontal oder vertikal angeordnete Achse in Drehung versetzt Eine punktförmig einwirkende Heizquelle, z.B. ein elektrischer Lichtbogen, schiniizt örtlich das freie Ende der Elektrode, wobei deren anderes Ende zur Befestigung und zum Antrieb verwendet wird. Die Zentrifugalkraft zerstäubt dabei die Schmelze in Form feiner Tröpfchen, die während ihres Fluges erstarren und sich abkühlen. Allgemein wird eine solche Vorrichtung in einem mit einer gegenüber dem Metall neutralen Atmosphäre gefüllten oder evakuierten Gehäuse angeordnet, um eine Verunreinigung des Pulvers zu vermeiden. !Diese Vorrichtungsart ermöglicht die Erzeugung von Pulvern aus hochschmelzenden und sehr reaktionsfähigen Metallen und Legierungen, wie z. B. Legierungsstähllen und Legierungen von Titan, Beryllium, Niob, Wolfram, Nickel oder Kobalt

Die bekannten, nach diesem Verfahren arbeitenden Vorrichtungen enthalten eine feste Heizquelle in einer zur Rotationsachse der rotierenden Elektrode senkrechten oder schrägen Ebene. Die Erhitzung erfolgt längs der Rotationsachse der rotierenden Elektrode oder unter einer leichten Versetzung gegenüber dieser Achse nach außen. Hierfür ist es auch bekannt die aus einer nichtverzehrbaren Elektrode bestehende Heizquelle parallel zur Achse der rotiei enden Abschmelzelektrode beweglich anzuordnen, um deren Verbrauch zu kompensieren (US-PS 30 99 041). Eine solche Anordnung begrenzt dein Durchmesser der rotierenden Elektroden auf einige cm, da das punktförmige Aufschmelzen zu einer übermäßig voreilenden Aushöhlung der Stirnflächenmitte der Elektrode führt. Diese Begrenzung bringt folgende Nachteile mit sich:

Wenn die Befestigungsvorrichtung der rotierenden Elektrode im Inneren des Gehäuses liegt, was die logischste Anordnung ist, hat die rotierende Elektrode, deren Länge durch die Abmessungen des Gehäuses bestimmt wird, wegen ihres geringen Querschnitts ein verhältnismäßig geringes Gewicht. Das Gewicht des bei jedem Betriebsturnus erhaltenen Pulvers ist dann ebenfalls sehr begrenzt (beispielsweise hat eine Elektrode aus einer Nickellegierung mit 4 cm Durchmesser eine Masse von 10 kg je 1 m Länge).

Wenn die Befestigungsvorrichtung der rotierenden Elektrode außerhalb des Gehäuses liegt, kann die Länge der rotierenden Elektrode erhöht werden. Jedoch muß man eine vollkommene Begradigung der gesamten Länge des Elektrodenblocks vornehmen, da das Abdichtungsorgan zwischen der Umgebungsatmosphäre und dem Gehäuse an der rotierenden Elektrode reibt.

Außerdem muß das Antriebssystem der Elektrode beweglich sein, da der Verbrauch der rotierenden Elektrode durch ihr Vorrücken zu kompensieren ist.

Die Teilchengröße des erhaltenen Pulvers steht mit den Eigenschaften der rotierenden Elektrode nach einem Gesetz des folgenden Typs in Beziehung:

'' «ψ; -Λ ■

worin

d den Teilchendurchmesser des erhaltenen Pulvers in

μηπ,

η die Drehzahl der rotierenden Elektrode in U/min,

R den Radius der rotierenden Elektrode in cm,

γ die Oberflächenspannung der Schmelze in erg/cm².

ρ die Dichte der Schmelze in g/cm³ und

K eine Konstante eines Wertes von etwa 165 · 10⁵

bedeutet.

So erfordert, um Pulver einer gegebenen Teilchengroße (z.B. 200μηι für eine Nickellegierung) zu erhalten, eine Elektrode von geringem Durchmesser Drehzahlen von 6000 bis 12 000 U/min, woraus sich technologische Probleme ergeben, deren Lösungen lästig sind (Abdichtung, Lager).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Herstellen von Metallpulver durch Zerstäuben einer rotierenden Elektrode anzugeben, mit der größere Metallpulvermengen in einem Betriebsturnus unter Beibehaltung eines Gehäuses mit mäßigen Abmessungen ohne technologische Komplikationen unter Verwendung rotierender Elektroden großen. Durchmessers erzeugt werden können.

Das erfindungsgemäße Lösungsprinzip beruht darauf, daß die punktförmige Heizquelle parallel zur Achse der rotierenden Elektrode zur Kompensation deren Verbrauchs und außerdem in der zur Achse der rotierenden Elektrode senkrechten Ebene derart verschiebbar ist, daß die Verlagerung des Einwirkungspunktes der Heizquelle auf die rotierende Elektrode die Gesamtheit der Stirnfläche derselben unter Berücksichtigung von deren Rotation so überstreicht, daß ein regelmäßiges Vorrücken der Abschmelzebene erreicht wird.

Gegenstand der Erfindung ist daher eine Vorrichtung zum Herstellen von Metall- oder Legierungspulver durch Zerstäuben einer rotierenden Elektrode, die aus einem vollen zylindrischen oder fest zylindrischen Körper aus dem zu zerstäubenden Stoff besteht und mit hoher Drehzahl um ihre Achse gedreht wird, mit wenigstens einer punktförmig konzentrisch oder exzentrisch einwirkenden Heizquelle, wie einer Lichtbogen-Elektrode, die das freie Ende der rotierenden Elektrode schmilzt, und mit einem gasdichten Gehäuse, mit dem Kennzeichen, daß der Einwirkungspunkt wenigstens einer Heizquelle auf der rotierenden Elektrode derart verstellbar ist, daß er unter Berücksichtigung der Rotation der Elektrode deren gesamte Stirnfläche überstreicht.

Nach einer besonderen Ausführungsart der Erfindung verlagert sich im Fall des Vorliegens einer einzigen punktförmigen Heizquelle der Einwirkungspunkt längs eines Radius der Stirnfläche der rotierenden Elektrode.

Nach einer anderen besonderen Ausführungsart der Erfindung ist das die Vorrichtung enthaltende Gehäuse so gestaltet, daß der Auftreffwinkel der Flugbahnen der von der rotierenden Elektrode abgeschleuderten Pulverteilchen mit der Behälterwand im Bereich von 10 bis 60°, vorzugsweise nahe 45° liegt, um zu vermeiden, daß die noch heißen Teilchen sich an den Wänden eindrücken und hier ankleben. Diese Geometrie wird ohne eine übertriebene Erhöhung der Abmessungen der Zerstäubungskammer dank der Verkürzung der rotierenden Elektroden ermöglicht, welche durch Erhöhung des Durchmessers der rotierenden Elektroden kompensiert wird.

Nach einer ersten Variante der Erfindung kann, wenn das Zerstäubungsgehäuse mit einer Atmosphäre von gegenüber dem zu zerstäubenden Metall neutralem Gas gefüllt ist, die punktförmige Heizquelle ein zwischen dem zu zerstäubenden Metall und einer nichtverzehrbaren Elektrode überspringender elektrischer Lichtbogen oder ein Plasmabrenner sein. Die Verwendung eines Plasmabrenners ist in anderem Zusammenhang, und zwar zur Reduktion eines Metallchlorids mittels Wasserstoffs zwecks Abscheidung des reduzierten Metalls auf zusätzlich eingeführten Metalltcilchen bekannt (US-PS 32 Π 548). Die nichtverzehrbare Elektrode oder der Plasmabrenner ist dann an einem zur Rotationsachse der Elektrode parallelen Träger befestigt und gegenüber dieser Achse um mindestens einen Halbradius der rotierenden Elektrode versetzt Die nichtverzehrbare Elektrode oder der Plasmabrenner ist am Träger zweckmäßig mittels eines derart rotations- und translationsbeweglichen Armes befestigt, daß der elektrische Lichtbogen oder das Plasma den Mittelpunkt der Abschmelzfläche der rotierenden

ίο Elektrode und nach Drehung des Trägers den Rand dieser Fläche erreichen kann.

Die Verschiebung der nichtverzehrbaren Elektrode oder des Plasmabrenners parallel zur Achse der rotierenden Elektrode zwecks Kompensation deren Abschmelzens wird zweckmäßig durch die Translation des Trägers erreicht.

Nach einer zweiten Variante der Erfindung bewirkt man, wenn das Zerstäubungsgehäuse evakuiert wird bzw. ist, die Erhitzung mittels einer Elektrodenschleuder. Diese Elektrodenschleuder kann wie in der ersten Variante an einem am Träger befestigten Arm befestigt oder einfacher feststehend ausgebildet sein. Die Kimpensation des Abschmelzens der rotierenden Elektrode wird im letzteren Fall durch ein eine fortlaufende Änderung der Fokussierung der Elektronenschleuder erreicht; die Verlagerung des Einwirkungspunktes des Elektronenstrahlbündels längs eines Radius der rotierenden Elektrode zwecks Sicherung einer gleichmäßigen Abschmelzung derselben wird durch Ablenkung des Elektronenstrahlbündels erreicht. Die Änderung der Fokussierung und die Ablenkung des Elektronenstrahlbündels werden durch elektromagnetische Mittel von bei Elektronenschleudern üblicher Art bewirkt.

Nach einer dritten Variante der Erfindung kann man. wenn die punktförmige Heizquelle wie oben eine nichtverzehrbare Lichtbogenelektrode oder ein Plasmabrenner ist, vorteilhaft zwei nichtverzehrbare Elektroden oder zwei Plasmaorenner mit unabhängiger elektrischer Stromversorgung verwenden. Diese beiden Heizquellen oder Heizköpfe können an ein und demselben, am gemeinsamen Träger montierten Arm befestigt sein, wobei sich beide längs eines bestimmten Radius der rotierenden Elektrode unter einem Abstand zwischen einem Drittelradius und einem ganzen Radius, vorzugsweise etwa eines Halbradius der rotierenden Elektrode befinden. Man kann auch die beiden Heizquellen an zwei unabhängigen Armen befestigen, die an zwei unabhängigen Trägern angebracht sind.

wobei die Anordnung der Träger und der Arme und die Begrenzung ihres Verstellbewegungsbereiches so eingerichtet sind daß die gesamte Stirnfläche der rotierenden Elektrode überstrichen wird, ohne daß die beiden Heizquellen in gegenseitigen Kontakt kommen können.

Die Erfindung wird anhand zweier in der Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeispiele der Vorrichtung zum Herstellen von Metallpulver näher erläutert; darin zeigt

F i g. 1 ein vertikales Schema der ersten Ausführungsart und

Fig. 2 ein Teilaufsichtsschema der zweiten Ausführungsart.

Nach der ersten Ausführungsart und entsprechend der ersten obenerwähnten Variante der Erfindung ist die Heizquelle ein elektrischer Lichtbogen. Die Fig. 1 zeigt ein vertikales Schema des Zerstäubungsgehäuses dieser ersten Ausführungsart.

Die rotierende Elektrode 1 ist an einer Drehspindel 2 mittels eines an der rotierenden Elektrode geformten Ansatzes 3 befestigt. Die Drehspindel 2 ist durch eine Transmissionswelle 4 und ein dazu senkrechtes Vorgelege 5 mit einem Motor 6 mit von 1000 bis 3000 U/min variabler Drehzahl verbunden. Eine Bronzescheibe und ein System von Graphitslromabnehmern 7 ermöglichen die elektrische Verbindung der Welle 4 über das elektrische Kabel 8 mit einem nicht dargestellten Gleichstromgenerator. Die rotierende Elektrode 1 wird im Gehäuse 13 mittels einer Muffe 9 mit gekühlten Wänden, die gegenüber der Achse des Gehäuses 13 etwas versetzt ist, um den Behälter 12 axial ansetzen zu können, wo sich das erzeugte Pulver in der Mitte des unteren konischen Teils 10 des Gehäuses 13 sammelt, auf geeigneter Höhe gehalten.

Das Gehäuse 13 wird völlig mit Ausnahme einiger weniger Stellen gekühlt, wo es nicht möglich ist (Seitenfenster, Bundringe, abgedichtete Durchlässe).

Der obere Teil 11 des Gehäuses 13 weist zwei Seitenfenster 14 und 15 auf, die gegen die Wärme- und Ultraviolettstrahlen geeignet geschützt sind und zur Überwachung des Zerstäubungsvorganges dienen; an seinem obersten Teil befindet sich ein Ringstück 16, wo ein Öffnungsstutzen 17 in Verbindung mit einer Sekundärvakuumpumpe zur Evakuierung des Gehäuses vor dem Füllen mit einer neutralen Atmosphäre über eine weitere Öffnung 18 abgezweigt ist.

Der elektrische Lichtbogen schlägt zwischen der Oberseite 19 als Stirnfläche der rotierenden Elektrode 1 und einer nichtverzehrbaren Elektrode 20 über. Das Kühlwasser und der elektrische Strom kommen hier durch ein gekühltes Kabel 21 an, das das Ringstück 16 durch einen abgedichteten, elektrisch gegenüber dem Gehäuse isolierten Kanal durchsetzt, bevor es über das elektrische Kabel 22 an den Gleichstromgenerator angeschlossen ist. Der Kopf der nichtverzehrbaren Elektrode 20 ist bei gleichzeitiger elektrischer Isolierung mechanisch mit einem horizontalen Arm 23 verbunden, welcher seinerseits mit einem vertikalen Träger 24 verbunden ist, der den oberen Teil 11 des Gehäuses 13 durch einen abgedichteten Kanal durchsetzt und zu einer Translations- oder Rotationsbewegung mittels zweier Einrichtungen 25 und 26 außerhalb des Gehäuses antreibbar ist.
Mit einer solchen Vorrichtung mit etwa 2,5 m

ίο Durchmesser und etwa 2 m Höhe kann man rotierende Elektroden von 100 bis 300 mm Durchmesser und 20 bis 70 cm Höhe zerstäuben.

Beispielsweise erhielt man mit einer Elektrode aus einer Nickellegierung mit einem Durchmesser von 120 mm bei einer Drahzahl von 3000 U/min die folgende Teilchengrößenverteilung:

< 630 μπι 98,5%,

< 500 μπι 93,3%,
<315μπι21%,

< 250 μιη 14,7%.

Nach der zweiten genannten beispielsweisen Ausführungsart und entsprechend der dritten erwähnten Variante der Erfindung sieht man zwei getrennte Heizquellen vor, die niemals in gegenseitige Berührung kommen.

Fig. 2 zeigt ein Schema der Heizquellenanordnung nach dieser Ausführungsart in Aufsicht.

Die verzehrbare rotierende Elektrode 27 wird zwei Heizquellen oder -köpfen 28 und 29 ausgesetzt, die an zwei unabhängigen Armen 30 und 31 angebracht sind und in einer Kreisbewegung angetrieben werden. Daraus ergibt sich, daß die gesamte Stirnfläche der zu schmelzenden Elektrode 27 von diesen Heizquellen überstrichen wird, doch kommen diese nicht in gegenseitigen Kontakt, da sich die beiden Kreisbogenwege nicht schneiden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

t. Vorrichtung zum Hersteilen von Metall- oder Legierungspulver durch Zerstäuben einer rotierenden Elektrode, die aus einem vollen zylindrischen oder fast zylindrischen Körper aus dem zu zerstäubenden Stoff besteht und mit hoher Drehzahl um ihre Achse gedreht wird, mit wenigstens einer punktförmig konzentrisch oder exzentrisch einwir- ι ο kenden Heizquelle, wie einer Lichtbogen-Elektrode, die das freie Ende der rotierenden Elektrode schmilzt, und mit einem gasdichten Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß der Einwirkungspimkt wenigstens einei Heizquelle (20; 28,29) auf der rotierenden Elektrode (1; 27) derart verstellbar ist, daß er unter Berücksichtigung der Rotation der Elektrode deren gesamte Stirnfläche (i9) überstreicht
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einer einzigen Heizquelle, dadurch gekennzeichnet, daß der Einwirkungspunkt der Heizquelle (20) auf der rotierenden Elektrode (1) längs eines Radius auf deren Stirnfläche (19) verstellbar ist
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (13) so ausgelegt ist, daß der Auftreffwinkel der Flugbahnen der von der Elektrode (1; 27) abgeschleuderten Pulverteilchen mit der Behälterwand (11) im Bereich von 10 bis 60°, vorzugsweise nahe 45° liegt
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die exzentrisch angeordnete Heizquelle (20), die aus einem Plasmabrenner bestehen kann, an einem zum Überstreichen der gesamten Stirnfläche (19) der rotierenden Elektrode (1) geeigneten drehbaren Träger (24) befestigt ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Gehäuse unter Vakuum gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizquelle eine ortsfeste Elektrodenschleuder ist die mit einer Einrichtung zur variablen Fokussierung und Ablenkung des Elektronenstrahlbündels zum Überstreichen der gesamten Stirnfläche (19) der rotierenden Elektrode (11) versehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Heizquellen mit unabhängiger elektrischer Stromversorgung aufweist, die an einem einzigen Trägerarm in einem gegenseitigen Abstand befestigt sind, der zwischen einem Dritteiradius und einem ganzen Radius, vorzugsweise etwa bei einem Halbradius der rotierenden Elektrode (27) liegt.