DE3319508A1

DE3319508A1 - Vorrichtung und verfahren zur zerstaeubung von fluessigen metallen zwecks erzeugung eines feinkoernigen pulvers

Info

Publication number: DE3319508A1
Application number: DE19833319508
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Fremont Calif. Duerig; Marcel Dr. Mönthal Escudier; Jakob Dipl.-Phys.Dr. Killwangen Keller
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1983-05-03
Filing date: 1983-05-28
Publication date: 1984-11-08
Also published as: DE3467726D1; CA1228459A; JPH049105B2; JPS59206067A; US4640806A; US4575325A; EP0124023B1; EP0124023A1

Description

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2.5.83

Br/dh

Vorrichtung und Verfahren zur Zerstäubung von flüssigen Metallen zwecks Erzeugung eines feinkörnigen Pulvers

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Zerstäubung von flüssigen Metallen nach der Gattung des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und von einem Verfahren nach der Gattung des Oberbegriffs des Anspruchs 2.

Die Metallzerstäubung zwecks Herstellung eines Pulvers für pulvermetallurgische und andere Anwendungen wird seit längerer Zeit publiziert und ist aus einer umfangreichen Fachliteratur bekannt. Dabei nimmt das Verfahren der Zerstäubung mittels eines Gasstrahls (Luft, Stickstoff, Edelgas) eine Vorzugsstellung ein. Bekannte Vorrichtungen zur Gasstrahl-Zerstäubung besitzen als wesentliches Werkzeug einen zentralsymmetrischen Körper zur Führung des flüssigen zu zerstäubenden Metalls (Metallstrahl).sowie des zerstäubenden gasförmigen Mediums (Gasstrahl), eine sogenannte Düse (vergl. z.B. US-A-2 997 245). Mit derartigen Vorrichtungen soll eine möglichst vollständige Auflösung des flüssigen Metallstrahls in einzelne kleine Tröpfchen erreicht werden.

In der Pulvermetallurgie gibt es nun Anwendungsfälle, die

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es als wünschenswert erscheinen lassen, die Abkühlungsgeschwindigkeit während der Erstarrung der Tröpfchen bis zu extrem hohen Werten zu steigern, um ganz bestimmte, gezielte Strukturen zu verwirklichen. Insbesondere sollen auf diese Weise Steigerungen aus gesättigten oder übersättigten Schmelzen vermieden und homogene Gefüge erreicht werden. Dies bedingt wiederum spezielle Vorrichtungen, welche ganz bestimmte gasdynamische Bedingungen im Zerstäubungsbereich zu verwirklichen gestatten. Die bereits be-kannten Vorrichtungen und Düsen erfüllen diese Bedingungen nicht oder nur in unzureichendem Masse.

Es besteht daher ein grosses Bedürfnis, die bekannten Vorrichtungen zur Metallzerstäubung sowie deren Methoden dermassen zu verbessern, dass die vorgenannten Mängel mögliehst weitgehend behoben werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Zerstäubung von flüssigen Metallen anzugeben, mittels welchem extrem hohe Abkuhlungsgeschwindigkeiten der Schmelze und äusserst feinkörnige Pulverpartikel erzielt werden können. Dabei sollen die gasdynamischen Verhältnisse im Zerstäubungsraum optimiert gestaltet werden, um eine möglichst weitgehende Desintegration des Metalls zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1·und 2 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung wird anhand des nachfolgenden, durch Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiels beschrieben.

Dabei zeigt:

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Pig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Zerstäubung von flüssigen Metallen,

Pig. 2 einen Längsschnitt durch die Zerstäubungszone der Vorrichtung gemäss Fig. 1 in vergrössertem Massstab,

Pig. 3 ein Diagramm der gasdynamischen Verhältnisse in der Zerstäubungszone: Schallintensität des Gasstrahls in Punktion der Frequenz.

In Fig. 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Zerstäubung von flüssigen Metallen dargestellt. 1 ist ein rotationssymmetrisches Gehäuse mit vorzugsweise zylindrischen Begrenzungsflächen. Das Gehäuse weist einen ringförmigen Kühlkanal 2 zur Aufnahme eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels auf."Im mittleren Teil des Gehäuses 1 ist eine ringförmige Kammer 3 vorgesehen, welche der Gaszuführung (Zerstäubungsmittel) dient. Die Kammer 3 geht in eine konisch ausgebildete, zur Längsachse des Gehäuses 1 koaxial verlaufende schmale Ringspalt-Düse 4 über. Auf der Austrittseite der Ringspalt-Düse 4 ist das Gehäuse 1 mit einem abgesetzten Flansch (Endplatte) 5 abgeschlossen. Letzterer weist auf seiner innenliegenden (Bohrungs-) Seite eine scharfe ringförmige Kante 6 sowie einen ringförmigen Resonanzraum 7 auf. In der zentralen Längsbohrung des Gehäuses 1 befindet sich eine Hülse 8, deren Austrittsende konisch zugeschnitten ist und eine scharfe Austrittskante 9 aufweist. Die mit einer Bohrung 10 zur Aufnahme des flüssigen, zu zerstäubenden Metalls versehene Hülse 8 besitzt an ihrem eintrittseitigen Ende ein Gewinde 11, über welches sie mittels einer Rundmutter 12 am Gehäuse 1 festgehalten ist. Mittels dieses Mechanismus ist die Hülse 8 in ihrer Längsrichtung

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gegenüber dem Gehäuse 1 verschiebbar und kann somit in jeder relativen Lage zum letzteren festgeklemmt werden. Dadurch kann insbesondere ihre Austrittskante 9 gegenüber der Lage der Ringspalt-Düse 4 und der ringförmigen Kante 6 variiert werden. Die Bauelemente 1,- 5, 8 und 12 werden vorteilhafterweise aus metallischen Werkstoffen mit abgestufter Warmfestigkeit und unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit gefertigt. Je nach Schmelztemperatur des zu zerstäubenden Metalls kann jedoch insbesondere die Hülse 8 auch aus einem hitzebeständigen Werkstoff wie beispielsweise Keramikmaterial bestehen. Die Erfindung ist jedoch in keiner Weise werkstoffspezifisch; ihre charakteristische Geometrie lässt sich prinzipiell auf alle geeigneten Werkstoff kombinationen übertragen.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine Zerstäubungszone der Vorrichtung in einem vergrösserten Masstab. Die Bezugszeichen entsprechen genau denjenigen der Pig. I. Aus der Fig. 2 ist insbesondere ersichtlich, dass die Austrittskante 9 der Hülse 8 mit Vorteil gegenüber der gedachten Fortsetzung der konischen Bewegungsfläche der Ringspalt-Düse k zurückversetzt ist, so dass der Austrittskegel der Hülse 8 nicht mit dem Kegel der Ringspalt-Düse in einer Flucht liegt.

In Fig. 3 ist ein Diagramm der gasdynamischen Verhältnisse in der Zerstäubungszone dargestellt. Die Schallintensität in Dezibel ist in Funktion der Frequenz in kHz aufgetragen. Als Zerstäubungsmittel wurde Stickstoff unter einem Druck von 80 bar verwendet.

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Ausführungsbeisp_ielj_
Siehe Fig. 1 bis 3'·

Aus Stahl wurden die Bauelemente 1, 5, 8 und 12 gemäss Fig. 1 gefertigt, wobei die wirklichen Dimensionen ungefähr halb so gross waren wie in der Fig. 1 eingezeichnet. Die Hülse 8 wurde derart eingestellt, dass ihre Austrittskante 9 ca. 1,2 mm gegenüber dem gedachten Schnitt der Verlängerung des der Ringspalt-Düse 4 entsprechenden Kegelmantels mit dem Mantel der zylindrischen Bohrung 10 der Hülse 8 zurückversetzt war (siehe Fig. 21). Der ringförmige Kühlkanal 2 des Gehäuses 1 wurde mit Wasser gekühlt, während die der Gaszuführung dienende ringförmige Kammer 3 mit Stickstoff von 80 bar Druck als Zerstäubungsmittel beaufschlagt wurde. Wie aus dem Diagramm der Fig. 3 hervorgeht, traten neben einem annähernd kontinuierlichen, als "Geräusch" zu interpretierenden Frequenzband von durchschnittlich ca. 30 Dezibel Schallintensität noch 3 weitere charakteristische diskrete Frequenzen im Ultraschallbereich von ca. 40, 80 und 130 kHz auf, welche in ihrer· Intensität das kontinuierliche Band um ca. 15 bis 25 Dezibel überragten. Diese diskreten "Töne" können hauptsächlich für den vorteilhaften Desintegrationsmechanismus in der Zerstäubungszone des flüssigen Metalls herangezogen werden.

Die Erfindung erschöpft sich nicht in der Figurenbeschreibung noch im vorgenannten Ausführungsbeispiel. Bei der Durchführung des Verfahrens ist wesentlich, dass mindestens eine diskrete Schallfrequenz vorhanden ist, deren Intensität um mindestens 5 Dezibel über dem Durchschnitt des kontinuierlichen Bandes liegt, wobei die Druckamplitude mindestens den gleichen Wert erreichen soll wie der zur Erzeugung des Gasstrahles aufgewendete Stillstands-

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druck des treibenden Gases. Als letzteres kann neben Stickstoff selbstverständlich auch ein Edelgas, z.B. Argon. oder Helium verwendet werden. Vorteilhafterweise sollen mindestens 3 diskrete Schallfrequenzen mit mindestens 10 Dezibel Ueberhöhung gegenüber dem kontinuierlichen Band im Frequenzbereich von ca. bis 200 kHz vorhanden sein. Der mittlere totale Oeffnungswinkel des gedachten Kegels der Gasstrahler soll dabei ca. 35 bis 55° betragen.

Die vorteilhafte Wirkung der neuen Zerstäubungsvorrichtung besteht in der Erzeugung eines mindestens unter Schallgeschwindigkeit sich gegen den flüssigen Metallstrahl hin fortbewegenden Gasstrahls, welches ausser einem mehr oder weniger kontinuierlichen Band deutlich wahrnehmbare diskrete Schallfrequenzen hoher Intensität besitzt. Dies wird durch eine besondere Ausbildung eines Resonanzraumes sowie eine gezielte Führung der Gasstrahler erreicht.

Claims

-/{*- 4-7/83 P a t. e. η t a η s. ρ r ü c h e

1. Vorrichtung zur Zerstäubung von flüssigen Metallen zwecks Erzeugung eines feinkörnigen Pulvers, bestehend aus einem zentralsymmetrischen, Kanäle für die Zufuhr des flüssigen zu zerstäubenden Metalls sowie des zur Zerstäubung dienenden Gases enthaltenden Körper, dadurch gekennzeichnet, dass in einem durch zylindrische Mantelflächen begrenzten Gehäuse (1) je ein ringförmiger Kühlkanal (2) und eine der symmetrischen Gasverteilung dienende ringförmige Kammer (3) sowie eine mit konisehen Begrenzüngsflachen versehene Ringspalt-Düse (4) zur Erzeugung eines hohlkegelförmigen Gasstrahls vorgesehen ist, dass ferner das Gehäuse (1) auf seiner dem Gasaustritt aus der Düse (4) zugewandten Stirnseite mit einem einen hohlkegelförmigen, ringförmigen Resonanz-. raum (7) mit einer scharfen ringförmigen Kante (6) aufweisenden Flansch (5) abgeschlossen ist, und dass sich in der zentralen Längsbohrung des Gehäuses (1) eine mit einer Austrittskante (9) mit kegelförmiger Begrenzungsfläche und mit einem Gewinde (11) versehene, in Längsrichtung verschiebbare, einstellbare und mit einer Rundmutter (12) am Gehäuse (1) festgehaltene Hülse (8) zur Aufnahme des die Bohrung (10) durchfliessenden flüssigen Metallstrahls befindet.

2. Verfahren zur Zerstäubung von flüssigen Metallen zwecks Erzeugung eines feinkörnigen Pulvers, wobei ein Strahl flüssigen Metalls durch einen zu ihm konzentrisch verlaufenden und nach seinem Innern gerichteten, einen einhüllenden Mantel bildenden, ringförmigen, mit Schallschwingungen überlagerten Gasstrahl desintegriert wird₉ dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrahl ausser einem kontinuierlichen Band von Schallfrequenzen mindestens

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noch eine diskrete Schallfrequenz enthält, deren Intensität mindestens um 5 Dezibel über dem Durchschnitt derjenigen des kontinuierlichen Bandes liegt und deren Druckamplitude mindestens den gleichen Wert erreicht wie der zur Erzeugung des Gasstrahles aufgewendete statische Stillstandsdruck des treibenden Gases.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrahl fächerförmig um einen gedachten Kegelmantel nach dessen Spitze und nach der Achse des Strahles flüssigen Metalles hin geführt wird, wobei der gedachte Kegel einen Oeffnungswinkel von 35 bis 55° aufweist, und dass der Gasstrahl mindestens 3 diskrete Schallfrequenzen von mindestens 10 Dezibel Ueberhöhung gegenüber dem kontinuierlichen Band im Frequenzbereich von 10 kHz bis 200 kHz enthält.