DE2625233C2

DE2625233C2 - Verfahren zur Herstellung eines zur Sinterung geeigneten Metallpulvers sowie Kugelmühle zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE2625233C2
Application number: DE2625233A
Authority: DE
Inventors: Sydney M. Livonia Mich. Kaufman
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1975-12-03
Filing date: 1976-06-04
Publication date: 1984-01-12
Also published as: JPS56202A; DE2625233A1; JPS5268846A; GB1508941A; JPS5627562B2; JPS561361B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines zur Sinterung geeigneten Metallpulvers der durch den Oberbegriff des Patentanspruchs I angegebenen Gattung.

Bei einem aus der US-PS 33 63 846 bekannten Verfahren dieser Art werden für die mechanische Zerkleinerung von dabei mit wenigstens einem der Elemente Zirkonium, Titan, Hafnium, Niobium und Tantal, einschließlich ihrer Legierungen, darunter auch Chrom- und Nickelverbindungen, legierten Metallspäne auf eine Teilchengröße von weniger als 0,177 mm mehrere stufenweise aufeinanderfolgende Hammermühlcn verwendet, wobei in jeder Zerkleinerungsstufe eine mengenmäßig so gesteuerte Einspritzung von flüssigem Stickstoff als dem bevorzugten kryogenen Kühlmittel vorgenommen wird, daß mit den damit erreichten Tieftemperaturen für den Späne-Werkstoff ■> unter Vermeidung örtlicher Überhitzungen der die mechanische Zerkleinerung fördernde spröde Zustand erhalten wird. Das mit diesem bekannten Verfahren erhaltene Metallpulver weist als Folge der vielfachen Hammereinwirkung des Ausgangsmaterials in den

ίο einzelnen Hammermühlen ausschließlich flockenähnliche Pulverteilchen auf, die wegen der in jeder Zerkleinerungsstufe stattfindenden Kaltverformung unterschiedliche' Eigenspannungen entsprechend der unterschiedlichen Teilchengröße aufweisen. Sowohl diese

is Eigenspannungen als auch insbesondere dann unvermeidbare Verunreinigungen durch Stickstoff, Wasserstoff und Sauerstoff der Pulverteilchen, wenn die Zerkleinerung in den Hammermühlen nicht hinreichend sorgfältig konditioniert wird, erfordern für die Sintern rung eines derartigen Metallpulvers zur Vermeidung nachteiliger Auswirkungen auf den dabei stattfindenden Diffusionsvorgang zumindest eine vorhergehende Wärmebehandlung, um das Metallpulver noch vor der Sinterrng spannungsfrei zu glühen, oder es ist dann

-i erforderlich, die Sinterung bei einer Anwendung der herkömmlichen pulvermelallurgischen Verfahren entsprechend sorgfältiger zu konditionieren, wenn damit Sinterkörper hergestellt werden sollen, deren physikalische Eigenschaften mit denjenigen von herkömmlich

i" legierten Schweiß- und Schmiedestählen vergleichbar sind. Diese Vorkehrungen, die in der Praxis meistens auch noch eine zusätzliche Zerkleinerung des vor der Sinterung wärmebehandelten Metallpulvers in wenigstens einer Kugelmühle unter Verwendung von

!' Eisenkugeln und in Anwesenheit einer durch den Zusatz von Benzol oder anderen organischen Verbindungen erhaltenen Aufschlämmung umfaßt, die dann wieder von dem dabei erhaltenen Metallpulver für dessen Trocknung abgetrennt werden muß, verteuern jedoch die gesamten Herstellungskosten des Metallpulvers und der daraus gefertigten Sinterkörper.

Die durch den Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung löst die Aufgabe, ein Verfahren der angegebenen Gattung so auszubilden, daß das damit aus

■»ϊ den Metallspänen erhaltene Metallpulver unter Berücksichtigung einer erhöhten Oxidationsmöglichkeit von einzelnen Legierungsanteilen, so insbesondere Mangan und Silizium, hinsichtlich seines Diffusionsverhaltens während der Sinterung verbessert und mit weniger

^w Kosten hergestellt werden kann.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren Vorteile liegen im wesentlichen darin, daß ohne notwendige Beschränkung auf einen bestimmten Späne-Werkstoff und mithin die Verwendungsmöglichkeit

" insbesondere auch der Metallspäne, die bisher bei der spanabhebenden Bearbeitung von Stählen aufgrund ihres ungünstigen Verhältnisses der Oberfläche zum Volumen mangels einer Einschmelzbarkeit in elektrischen öfen auf Abfallhalden weggeworfen wurden, bei

^b0 der mechanischen Zerkleinerung eine Schutzvorkehrung gegenüber einer Oxidationsmöglichkeit der Pulverteilchen während der Sinterung getroffen wird. Der Wirkungsgrad dieser Schutzvorkehrung ist dabei unter dem Gesichtspunkt besonders groß, daß unter der

^h5 Schlageinwirkung der kugeligen oder zylindrischen Schlagkörper während des einstufigen Mahlprozesses in der Kugelmühle ein Metallpulver erhalten wird, bei dem die einzelnen Pulverteilchen weniger flockenför-

mig als vielmehr kugelförmig ausfallen und insbesondere bei einer ohne weiteres möglichen Einhaltung einer Teilchengröße von weniger als 0,59 mm dann nur noch so geringe restliche Eigenspannungen aufweisen, daß damit das Metallpulver auch ohne eine vorhergehende Wärmebehandlung sofort gesintert werden kann und bei der Sinterung als Folge eines an den Pulverteilchen anhaftenden Schutzüberzuges aus dem Schutzmetall ein optimales Diffusionsverhalten entwickelt Mit der Ausbildung der Erfindung nach dem Patentanspruch 2 ι ο läßt sich insbesondere eine größere Vergleichmäßigung dieses Schutzuberzugs und damit eine weitere Steigerung dieses günstigen Diffusionsverhaltens erreichen, wobei die Verwendung einer Kugelmühle in der Ausbildung der Erfindung gemäß den Patentansprüchen 3 bis 5 die Herstellung eines solchen Metallpulvers dann besonders wirtschaftlich durchführen läßt.

In 1 G. Goetzel »Treatise on Powder Metallurgy«. Band I, 1949, Seiten 218, 219 und 224 wird noch davon berichte!, daß zur Herstellung von sog. Verbundpulvern, ?^u bei denen die einzelnen Pulverteilchen vorzugsweise zwei metallische Phasen aufweisen, auch mechanische Beschichtungsverfahren bekannt sind, mit denen aber nur relativ dünne Beschichtungen mit einem Gewichtsverhältnis zwischen der Beschichtung und dem Kern der -"> Pulverteilchen von normalerweise weniger als 1:5 herstellbar sein sollen. Dabei sind auch eine aus Kupfer bestehende Beschichtung an einem Grundkörper aus Wolfram, eine aus Silber bestehende Beschichtung an einem Grundkörper aus Molybdän oder auch eine aus J" Graphit bestehende Beschichtung an einem Grundkörper aus Eisen mit dem Hinweis beispielhaft erwähnt, daß diese mechanischen Beschichtungsverfahren auch mittels einer Kugelmühle durchführbar sind, wobei dafür die Aufrechterhaltung einer flüssigen Phase unter ^Jl höheren Temperaturen und einem gesteuerten Atmosphärendruck empfohlen wird. Ein Hinweis darauf, welchen Zweck diese mechanische Beschichtung der Pulverteilchen bei solchen Verbundpulvern erfüllen soll, fehlt jedoch in dieser Literaturstelle. ^4(l

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wirü nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Kugelmühle gemäß einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 einen Querschnitt der Kugelmühle gemäß -⁴"¹ F i g. 1 und

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Kugelmühle gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Die zur Herstellung eines zur Sinterung geeigneten Metallpulvers verwendeten Metallspäne werden bei- *>" spielsweise aus dem Späneabfall bei der spanabhebenden Bearbeitung von legierten oder auch unlegierten Stählen zusammengestellt. Diese Metallspäne haben typischerweise ein Verhältnis der Oberfläche zum Volumen von wenigstens etwa 60 : 1, weshalb sie sich in "'"' der Regel nicht für ein Einschmelzen in einem elektrischen Ofen eignen. Sie können mit wenigstens einem der Elemente Mangan. Silizium. Chrom, Nickel und Molybdän legiert sein und weisen beispielsweise als beim Abdrehen von Stangenmaterial anfallende Dreh- ^b0 späne eine Breite zwischen 2.5 und 25.4 mm. eine Dicke zwischen etwa 0.12 und 1.27 mm und eine Länge zwischen etwa 6.33 und 254 mm auf.

Aus diesen Metallspänen werden dann ein/eine Chargen zusammengestellt, die noch vor dem Einbrin- ^b~" gen in eine Kugelmühle 12 miiieK Dampf oder durch Eintauchen in ein l.oMingsminel entfettet werden können. Die für den folgenden Zerkleinerungspro/eß verwendete Kugelmühle 12 kann aus einer zylindrischen Trommel 14 bestehen, die aus zwei Metallmänteln i4b und 14c und einem dazwischen angeordneten Isolierkörper 14a gebildet und durch einen Deckel 14c/ abschließbar ist In der Kugelmühle befinden sich kugelige oder zylindrische Schlagkörper 17, die einen Durchmesser von beispielsweise 12,7 mm haben können und im wesentlichen aus einem Schutzmetall, wie insbesondere Kupfer, bestehen, das einen gegenüber der eutektischen Temperatur des Werkstoffs der Metallspäne 10 niedrigeren Schmelzpunkt hat, zusammen mit denen dann unter Zuleitung eines kryogenen Kühlmittels, wie bevorzugt flüssiger Stickstoff, über eine Füllrohr 18 des Deckels 14c/ eine Aufschlämmung innerhalb der Kugelmühle gebildet wird, deren Pegel 16 dabei dann bei stehender Kugelmühle höher liegen sollte als der Pegel 15 des kryogenen Kühlmittels.

Beim Antrieb der Kugelmühle zur Drehung der Trommel 14 beispielsweise in Richtung des Pfeiles 13 erfahren die MetaJlspäne 10 im wesentlichen die in Fig.2 mit gestrichelter Linie 11 dargestellte Umlaufbahn, längs welcher das in der Aufschlämmung enthaltene kryogene Kühlmittel normalerweise einen Sektorbereich A ausfüllt, der eine durch den Pegel 15 des Kühlmittels gebildete schiefe Ebene aufweist. Der außerhalb dieser schiefen Ebene des Sektorbereichs A gelegene andere Sektorbereich B der Umlaufbahn der Me!allspäne ist damit andererseits im wesentlichen kühlmittelfrei, womit die im wesentlichen durch die Schlagkörper 17 bewegten Metallspäne 10 in diesem Sektorbereich B eine zu der Tiefkühlung im Sektorbereich A periodisch abwechselnde Erwärmung auf eine gegenüber ihrer Übergangstemperatur vom duktilen zum spröden Zustand höhere Temperatur erfahren. Während ihrer Bewegung längs dieser Umlaufbahn werden die Metallspäne 10 unter der andauernden Schlagcinwirkung der Schlagkörper 17 stetig zerkleinert, wobei sie mithin einem ständigen Wechsel zwischen einem spröden Zustand innerhalb des Sektorbereichs A und einem duktilen Zustand innerhalb des Sektorbereichs B unterliegen, womit nicht nur ihre Zerkleinerung, sondern auch ihre Beschichtung mit dem Schuizmetall gefördert wird, aus dem die einzelnen Schlagkörper 17 bestehen. Der für diese Beschichtung erreichbare Wirkungsgrad ist dabei im wesentlichen abhängig von der Drehzahl der Trommel 14, dem Gewichtsunterschied zwischen den Metallspänen 10 und den Schlagkörpern 17 sowie der Zeitdauer dieses Zerkleinerungsprozesses und dem für die Schlagkörper verwendeten Schutznietall, das vorzugsweise deshalb Kupfer sein sollte, weil der Schmelzpunkt von Kupfer nur um weniges niedriger ist als die eutektische Temperatur des für diese Zerkleinerung verwendeten Ausgangsmaterials.

Der Zerkleinerungsprozeß der Metallspäne 10 in der Kugelmühle 12 wird normalerweise so lange durchgeführt, bis ein Metallpulver mit einer Teilchengröße zwischen etwa 25 und 100 μιτι vorliegt. Bei diesem Metallpulver weisen die einzelnen Pulverteilchen mithin eine durch einen Abrieb der Schlagkörper 17 erzeugte Beschickung mit dem Schutznietall auf und besitzen außerdem als Folge der durch die Schlagkörper bewirkten Kaltverformung eine gewisse Eigcnspanniing. die auf einen unter der Schlageinwirkung der Schlagkörper aufgebrochenen Teilbereich der Pulverteilchen konzentriert ist. Die Piilverteilchen weisen daher eine gewisse örtliche Unordnung ihres Atomgefüges auf. welche des Diffusionsvcrhalten der Pulverteil-

chen während der Sinterung günstig beeinflußt, während andererseits die aus dem Schutzmetall bestehende Beschichtung eine Oxidationssperre bezüglich der Legierungsanteile des Spänewerkstoffes bildet, die wie Mangan oder Silizium auch noch während der Sinterung ziemlich leicht zu einer Oxidation neigen. Das aus der Kugelmühle 12 erhaltene Metallpulver kann daher unter Anwendung der herkömmlichen pulvermetallurgischen Verfahren ohne weitere Vorbehandlung direkt gesintert werden, wobei zum Verpressen des Metallpulvers auf eine Dichte von beispielsweise 6,69 cm^J nur Preßkräfte von etwa 2.1 bis 2,5 bar erforderlich sind, während zum Verpressen eines Metallpulvers, bei dem die einzelnen Pulverteilchen keine solche Beschichtung aus einem Schutzmciall aufweisen, Preßkräfte von immerhin wenigstens 6 bar benötigt werden. Bei dieser Sinterung, die im übrigen mit einer üblichen Temperatur von etwa 1100"C unter möglicher Aufrechterhaltung auch einer Schutzgasatmosphäre mit einem inerten oder reduzierenden Verhalten durchgeführt wird, findet eine beschleunigte atomare Diffusion der einzelnen Pulverteilchen statt, die dabei hauptsächlich an den durch die mechanische Zerkleinerung bewirkten Bcschädigungsstellen eingeleitet wird. Es können somit aus dem Metallpulver Sinterkörper hergestellt werden, die als Folge dieses beschleunigten Diffusionsverhaltens um bis zu 60% verbesserte physikalische Eigenschaften im Vergleich zu Sinterkörpern aufweisen, die aus einem herkömmlich hergestellten Metallpulver bestehen.

Die in F i g. 3 dargestellte Kugelmühle 20 besteht aus einem gegenüber der Trommel 14 der Kugelmühle 12 wesentlich längeren und dabei schräg angeordneten Hohlzylinder 21. der an seiner Hochstelle 23b eine Zuleitung 24 für das kryogene Kühlmittel und eine weitere Zuleitung 25 für die Mela Ispäne und an seiner Tiefstelle 23c eine mit einem Klassiersieb 31 versehene Abführrutsche 30 aufweist. An der Innenwand 23.f dieses um seine Längsachse antreibbaren Hohlzylinders 23 sind spiralförmig verlaufende Rippen 21 angeordnet, welche somit eine aus den Mctalls>päncn 29. dem unter Einhaltung eines Pegels 28 zugeleiteten Kühlmittel und den wiederum kugeligen oder zylindrischen Schlagkörpern 27 gebildete Aufschlämmung 26 von der Hochstelle 23 b zu der Tiefstellc 23c des Hohlzylinders 23 kontinuierlich bewegen. Bei der Drehung des Hohlzylinders 23 ergibt sich damit für die Metallspäne 29 eine mit der gestrichelten Linie 32 verdeutlichte spiralförmige Bewegungsbahn, längs welcher die Metallspäne wieder einem ständigen Wechsel zwischen einem in einem Bereich A als Folge der Tiefkühlung geförderten spröden Zustand und einem duktilen Zustand in einem Bereich B unterliegen, der sich außerhalb des Kühlmittelpegels 28 befindet und in welchem die dann im wesentlichen kühlmittelfreien Metallspäne auf eine gegenüber der Übergangstemperatur vom spröden zum duktilen Zustand des Späne-Werkstoffs höhere Temperatur erwärmt werden. Mit dieser Kugelmühle ist es somit möglich, eine kontinuierlich durchführbare Zerkleinerung von Metallspänen vorzunehmen, wobei es zur Erzielung einer Teilchengröße von dabei vorzugsweise weniger als etwa 0,59 mm zweckmäßig ist. Schlagkörper mit einem Durchmesser von wenigstens etwa dem 50fachcn Wert der kleinsten Abmessung der Metallspäne zu verwenden. Die kleinste Abmessung der Schlagkörper sollte dabei gleichzeitig nicht größer sein als etwa 10% des Durchmessers der Drehkammer der Kugelmühle.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines zur Sinterung geeigneten Metallpulvers, bei dem insbesondere eisenhaltige Metallspäne mit einem Verhältnis der Oberfläche zum Volumen von wenigstens etwa 60 :1 bei einer gegenüber deren Übergangstemperatur vom duktilen zum spröden Zustand tieferen und mittels eines kryogenen Kühlmittels, wie insbesondere flüssiger Stickstoff, erreichten Temperatur mechanisch zerkleinert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Zerkleinerung der Metallspäne kontinuierlich in einer Stufe mittels einer Kugelmühle unter Verwendung kugeliger oder zylindrischer Schlagkörper vorgenommen wird, die im wesentlichen aus einem Schulzmetall, wie insbesondere Kupfer, bestehen, das einen gegenüber der eutektischen Temperatur des Späne-Werkstoffs niedrigeren Schmelzpunkt hat, im Späne-Werkstoff vollständig lösbar ist und einem relativ leichten Abrieb unterliegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Zerkleinerung der Metallspäne bei der Tieftemperatur abwechselnd zu einer Zerkleinerung bei einer gegenüber der Übergangstemperatur vom duktilen zum spröden Zustand der Metallspäne höheren, jedoch noch unterhalb der Raumtemperatur liegenden Temperatur durchgeführt wird.

3. Kugelmühle zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen schräg angeordneten Hohlzylinder (23), der an seiner Hochstelle {23b) eine Zuleitung (24) für das kryogene Kühlmittel und eine -.veitcre Zuleitung (25) für die Metallspäne und an seiner Tiefstclle (23c) eine mit einem Klassiersieb (31) versehene Abführrutsche (30) aufweist, wobei an der Innenwand des um seine Längsachse gedrehten Hohlzylinders (23) spiralförmig verlaufende Rippen (21) angeordnet sind, welche eine aus den Metallspünen, dem Kühlmittel und den Schlagkörpern (27) gebildete Aufschlämmung (26) von der Hochstelle zu der Tiefstelle des Hohlzylinders kontinuierlich bewegen.

4. Kugelmühle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagkörper (27) einen Durchmesser von wenigstens dem etwa 50fachcn Wert der kleinsten Abmessung der Metallspäne aufweisen.

5. Kugelmühle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinste Abmessung der Schlagkörper (27) nicht größer als etwa 10% des Durchmessers der Drehkammer der Kugelmühle ist.