DE3505659C2 - Düse zum Zerstäuben eines hochschmelzenden flüssigen Metalls mittels Gas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Düse zum Zerstäuben eines hochschmelzenden flüssigen Metalls mittels Gas gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1. Eine solche Düse läßt sich der DE-AS 12 62 520 entnehmen.

Die Erfindung kann zum Beispiel bei der Herstellung von Pulvern aus Schmelzen von Superlegierungen Anwendung finden.

Derzeit sind nur etwa 3% der industriell hergestellten Pulver kleiner als 10 µm, und die Kosten für ein solches Pulver sind entsprechend sehr hoch.

Ein Hauptkostenpunkt der feinen, durch Zerstäubung hergestellten und in industriellen Anwendungen brauchbaren Pulver ist der des bei der Zerstäubung benutzten Gases. Derzeit nehmen die Kosten in dem Maße zu, wie der Anteil an feinem Pulver in einer zerstäubten Probe zunimmt. Außerdem wird die Menge Gas pro Masseneinheit des erzeugten Pulvers umso größer, je feiner die herzustellenden Pulver sein sollen. Die bei der Herstellung des Pulvers eingesetzten Gase, insbesondere die Inertgase, wie Argon, sind sehr teuer.

Es gibt derzeit einen wachsenden industriellen Bedarf an feineren Pulvern, insbesondere aus Superlegierungen. Es besteht daher eine Notwendigkeit, Gaszerstäubungstechniken und Vorrichtungen dafür zu entwickeln, die die Wirksamkeit der Umwandlung einer geschmolzenen Legierung in Pulver erhöhen und die Menge des benötigten Gases bei der Herstellung von Pulver in einem erwünschten Größenbereich konstant halten, insbesondere bei sich mehr und mehr verringernder Teilchengröße.

Die Herstellung von feinem Pulver wird durch die Oberflächenspannung der Schmelze beeinflußt, aus der das feine Pulver hergestellt wird. Für Schmelzen hoher Oberflächenspannung ist die Herstellung feinen Pulvers schwieriger und erfordert mehr Gas und Energie. Die derzeitige typische industrielle Ausbeute an feinem Pulver mit einem mittleren Durchmessesr von weniger als 37 µm aus geschmolzenen Metallen mit hoher Oberflächenspannung liegt im Bereich von 25 bis etwa 40 Gew.-%.

Feine Pulver mit einer Teilchengröße von weniger als 37 µm werden beim Niederdruck-Plasmasprühen benutzt. Bei der Herstellung solcher Pulver mit den derzeit verfügbaren industriellen Verfahren müssen 60 bis 75% des Pulvers als zu groß ausgeschieden werden. Diese Notwendigkeit, selektiv nur das feinere Pulver zu isolieren und das zu große Pulver auszuscheiden, erhöht die Kosten des brauchbaren Pulvers.

Feines Pulver hat auch Anwendungen in dem rasch ändernden und wachsenden Gebiet der sich rasch verfestigenden Materialien. Je größer der Prozentanteil an feinem Pulver, umso brauchbarer ist das Verfahren oder die Vorrichtung im allgemeinen bei der Technologie der raschen Erstarrung.

Für einige Abwendungen, insbesondere solche, bei denen die Abkühlungsgeschwindigkeit des Teilchens für die erzielten Eigenschaften bedeutsam ist, ist es daher erwünscht, Pulver geringer Teilchengröße herzustellen. So gibt es einen Bedarf für rasch erstarrte Pulver mit einer Teilchengröße von weniger als 37 µm und insbesondere für die Herstellung solcher Pulver in einer wirtschaftlichen Weise.

Für gewisse Anwendungen ist es auch wichtig, Teilchen zu haben, die ein enges Spektrum von Teilchenspektrum aufweisen. Es gibt also auch einen deutlichen wirtschaftlichen Vorteil, wenn man in der Lage ist, Pulver herzustellen, die eine bekannte oder vorhersagbare mittlere Teilchengröße sowie einen solchen Teilchengrößenbereich aufweisen.

Das Herstellen einer kleinen Teilchengröße ist für das rasche Abkühlen und den Nutzen, den man aus einem raschen Abkühlen gewisser geschmolzener Materialien zieht, vorteilhaft. Es können auf diese Weise neue Eigenschaften amorpher Materialien erhalten werden.

Die Pulvermetallurgie-Technologie hat derzeit einen Bedarf an feinen und sehr feinen Teilchen d. h. an Pulvern mit Durchmessern von weniger als 37 µm sowie an ultrafeinen Pulvern, insbesondere Pulvern mit einem Durchmesser von weniger als 10 µm. Mit Hilfe der Düse gemäß der vorliegenden Erfindung werden Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße im Bereich von 10 bis 37 µm und darunter hergestellt.

Übliche Vorrichtungen zum Herstellen von Pulver aus geschmolzenen Metallen durch Zerstäuben ergeben Produkte, die in Abhängigkeit vom Herstellungsverfahren und den Materialien ein relativ weites Spektrum von Teilchengrößen aufweisen. Das breite Spektrum der Teilchengrößen wird in Fig. 3 durch die Kurven A, B, C und D repräsentiert. Eine Betrachtung dieser Kurven ergibt, daß sich die Teilchengrößen über den ganzen Bereich von weniger als 10 µm bis zu mehr als 100 µm erstrecken. Der Anteil der feinen Teilchen, d. h. der mit einem mittleren Durchmesser von weniger als 37 µm, der nach der konventionellen Technologie erhalten wird, liegt im Bereich von etwa 0 bis 40% und der Prozentanteil an ultrafeinem Pulver, d. h. weniger als 10 µm groß, liegt im Bereich von etwa 0 bis 3%. Wegen der geringen Ausbeute an Pulver geringerer Teilchengröße, das in solchen Produkten vorhanden ist, können die Kosten für die Herstellung ultrafeinen Pulvers außerordentlich hoch sein und im Bereich von mehreren 100 und sogar mehreren 1000 Dollar pro 500 g liegen.

Die Daten der Kurven A, B, C und D der Fig. 3 beruhen auf einem Artikel von H. Lawly, "Atomization of Speciality Alloy Powders", der im Januar 1981 im "Journal of Metals" erschien. Die in dem Artikel im "Journal of Metals" enthaltenen Daten für die Kurven A, B, C und D gelten für Pulver, die aus Schmelzen von Superlegierungen erhalten wurden. Die Daten, auf denen die Kurve E beruht, stammen ebenfalls von der Pulverherstellung aus einer Superlegierungsschmelze, so daß diese beiden Sätze von Daten gut vergleichbar sind.

Die Proben der Fig. 3 enthalten typische Teilchengrößenverteilungen für Superlegierungspulver, die nach verschiedenen Zerstäubungstechniken hergestellt worden sind. So ergab sich die Kurve A für ein mit Argongas zerstäubtes Pulver. Die Kurven B, C und D wurden für Pulver erhalten, die nach dem Verfahren mit rotierender Elektrode, dem Verfahren mit rascher Erstarrungsgeschwindigkeit bzw. der Vakuumzerstäubung erhalten wurden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Düse der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der feines Metallpulver direkt aus dem flüssigen Zustand hergestellt werden kann, ohne daß ein sekundäres Verfahren benutzt werden muß, wie das Aufteilen von Material, das anfänglich in einem Band oder einer Folie oder einem Streifen aus ähnlich festem Zustand gebildet wird. Es soll ein Pulver aus einer Schmelze mit einem beträchtlich höheren Anteil an feinen Teilchen hergestellt werden. Das Pulver soll direkt hergestellt werden und eine gleichmäßigere Teilchengröße aufweisen. Die Gaszerstäubung zur Herstellung des Pulvers soll mittels der zu schaffenden Düse wirksamer sein. Die Pulverherstellung soll zu geringen Kosten aus Schmelzen hoher Temperatur ermöglicht werden. Dabei soll auch der Anwuchs der Schmelze auf der Düse begrenzt werden. Die Düse soll einen kontinuierlichen Einsatz gestatten. Es soll weniger Gas für die Zerstäubung benötigt werden. Auch soll das erhaltene Pulver ein engeres Spektrum der Teilchengrößen aufweisen.

Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch Schaffung einer Düse gemäß Anspruch 1.

Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.

Mit der erfindungsgemäßen Düse können kleinere Teilchen in einem höheren Prozentsatz aus Metallschmelzen hergestellt werden. Die neue Düse gestattet daher eine raschere Erstarrungsgeschwindigkeit solcher Teilchen, teilweise deshalb, weil die erzeugten Teilchen im Mittel kleiner sind und auch weil die Herstellung in einem industriellen Maßstab reproduzierbar ist.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine vertikale Schnittansicht einer Ausführungsform einer Gaszerstäubungsdüse gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine detaillierte Darstellung der Zerstäubungsspitze wie in Fig. 1, die gewisse Abmessungen A und B illustriert,

Fig. 3 eine graphische Darstellung verschiedener Parameter, die zur Teilchengrößenverteilung der kumulativen Fraktion von Teilchen in Pulverproben in Beziehung stehen, die nach verschiedenen Verfahren erhalten wurden,

Fig. 4 einen Vertikalschnitt einer gegenüber der Fig. 1 etwas modifizierten Zerstäubungsdüse und

Fig. Fig. 5 eine weitere leicht modifizierte Zerstäubungsdüse.

In Fig. 1 ist im Vertikalschnitt eine Ausführungsform einer Zerstäubungsdüse 10 gezeigt. Bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung können zahlreiche Modifikationen an der Ausführungsform der Zerstäubungsdüsen vorgenommen werden, wie an anderer Stelle in dieser Beschreibung erläutert.

Die gezeigte Düse 10 hat ein inneres keramisches Schmelzezuführungsrohr 12 mit einem oberen Endstück 14, in das das zu zerstäubende flüssige Metall eingeführt wird, sowie ein unteres Endstück 16, aus dem das zu zerstäubende Metall als herabfallender Strom austreten kann. Das untere Ende ist mit einer unteren Spitze 17 mit einer abgeschrägten äußeren Oberfläche 18 in Form eines umgekehrten Kegelstumpfs versehen. Das an dem Endstück 16 aus dem Schmelzezuführungsrohr 12 austretende geschmolzene Metall wird durch Gas aus einem ringförmigen Gasöffnungsabschnitt der Düse 10 weggespült. Der ringförmige Gasstrahl besteht aus Gas, das aus einer Kammer 20 durch eine Öffnung 22 nach unten strömt, die zwischen einer inneren abgeschrägten Oberfläche 24 und der umgekehrt konischen oder abgeschrägten Oberfläche 18 des Schmelzezuführungsrohres 12 gebildet ist. Die ringförmige Öffnung 22 für den Austritt von Gasstrahlen kann Oberflächen haben, die abgeschrägt ausgebildet sind, um sie allgemein an die abgeschrägte Oberfläche 18 des Schmelzezuführungsrohres 12 anzupassen. Die Öffnung 22 kann daher durch die äußere, abgeschrägte Oberfläche 18 des Schmelzezuführungsrohres 12, die entsprechend abgeschrägte Oberfläche 26 des oberen Teiles der ringförmigen Gaskammer 20 und die gegenüberstehende Oberfläche 24 auf der Platte 32, die den unteren Verschluß der Kammer 20 bildet, bestimmt werden. Die untere Oberfläche 18 des Schmelzezuführungsrohres 12 bildet eine Seite eines schmalen Steges 19. Die andere Seite des Steges 19 wird durch die Schmelzöffnung 15 gebildet, die auch im Schmelzezuführungsrohr 12 enthalten ist.

Durch Zuführen eines Gases unter hohem Druck durch die Gasleitung 30 von einer nichtgezeigten Quelle her tritt das Gas in die ringförmige Kammer 20 ein und tritt durch die ringförmige Gasöffnung 22 aus, um auf den Strom aus geschmolzenem Metall aufzutreffen, der durch das Schmelzezuführungsrohr 12 nach unten strömt und bei der Spitze 17 aus dem unteren Endstück 16 des Schmelzezuführungsrohres 12 austritt.

Die Austrittsoberfläche 24 kann geeigneterweise auf der Innenkante einer Verschlußplatte 32 für die Kammer 20 gebildet sein.

Die Platte 32 kann ein Außengewinde tragen, um ihr Einschrauben in die untere Schraubkante 36 einer Seitenwand 34 der Kammer 20 zu gestatten. Das Anheben und Absenken der Platte 32 durch Drehen, um ihre Innenkante weiter in die Kammer 20 hinein- oder aus der Kammer 20 herauszuschrauben, bewirkt die Bewegung der Oberfläche 24 mit Bezug auf die Oberfläche 18 und entsprechend ein Öffnen oder Schließen der ringförmigen Öffnung 22 sowie ein Anheben dieser Öffnung mit Bezug auf die untere Spitze 17 des Schmelzezuführungsrohres 12.

Das Kammergehäuse 34 besteht aus einem ringförmigen Oberteil 38 mit einer integral daran angeformten vorspringenden inneren Kante 40. Ein ringförmiger Kegel 42, der geeigneterweise aus Keramik oder Metall bestehen kann, ist Teil des Schmelzezuführungsrohres 12, und dieser Kegel wird durch den Flansch 44 des Schelfs 40 abgestützt. Die Gestalt der äußeren Oberfläche 26 des Kegels 42 ist von Bedeutung bei der Bildung der inneren ringförmigen Oberfläche der Kammer 20, aus der Gas der ringförmigen Oberfläche der Kammer 20, aus der Gas der ringförmigen Öffnung 22 zugeführt wird. Die äußere Oberfläche 26 des Kegels 42 kann mit der äußeren konischen Oberfläche 18 des unteren Endes des Schmelzezuführungsrohres 12 ausgerichtet sein, so daß die beiden Oberflächen eine kontinuierliche konische Oberfläche bilden, entlang der das Gas aus der Kammer 20 strömt, wenn es durch die ringförmige Öffnung 22 austritt.

Außer der unteren Spitze 17 und einer äußeren Oberfläche 18, die an die innere Oberfläche des ringförmigen Kegels 42 angepaßt ist, hat das Schmelzezuführungsrohr 12 auch einen Mittelflansch 46, der es gestattet, die vertikale Anordnung des Schmelzezuführungsrohres 12 genau zu bestimmen und das Schmelzezuführungsrohr 12 mit Bezug auf die Düse 10 und die konische Oberfläche 26 einzustellen.

Ein oberer Ring 48 weist einen inneren nach unten gerichteten Vorsprung 50 auf, der auf den Flansch 46 drückt und Schmelzezuführungsrohr 12 und Kegelteile der Vorrichtung in genauer Ausrichtung hält.

Die Mittel, um die Düsenbaueinheit in der Vorrichtung, in der geschmolzenes Metall zerstäubt wird, zu halten, sind üblich und bilden keinen Teil der vorliegenden Erfindung.

Die Konfiguration und Form der Gasöffnung, die bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung brauchbar ist, ist nicht auf die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform beschränkt. Für gewisse Anwendungen kann eine Düse in Form einer Laval- Düse bevorzugt sein, um die Expansion des aus der Öffnung 22 der Düse der Fig. 1 austretenden Gases zu steuern.

Auch ist der Winkel, in dem das Gas von der Gasöffnung gegen die Oberfläche des Schmelzstromes gerichtet wird, nicht auf den in der Figur gezeigten Winkel beschränkt. Während einige Winkel für gewisse Kombinationen von Düsenausführungsform und zu zerstäubender Schmelze benutzt wurden, ist es bekannt, daß die Zerstäubung mit Auftreffwinkeln vom Bruchteil eines Grades bis zu 90° bewerkstelligt werden kann. In der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß bei einer Düse, wie sie in Fig. 1 veranschaulicht ist, ein Auftreffwinkel von 22° sehr wirksam bei der Herstellung höherer Konzentrationen feineren Pulvers ist und damit wirksamer als die Verfahren nach dem Stand der Technik.

Eines der Probleme im Zusammenhang mit der Pulvermetallurgie ist die Verunreinigung des Pulvers durch Fremdmaterialien. Diese Fremdstoffe werden in das Pulver hineingemischt und gelangen beim Pressen in das Preßteil und stellen schließlich eine mögliche Stelle des Versagens in diesem Teil dar. Bei sehr feinem Pulver wird allgemein angenommen, daß man das Pulver sieben bzw. sichten und größere Fremdgegenstände beseitigen kann, so daß man mit einem feineren Pulver eine Probe herstellen kann, die potentiell kleinere Fehler aufweist als man bei einem groben Pulver erhält.

Erhält man das feine Pulver zu wirtschaftlichen Preisen und nimmt man 10 µm Kügelchen gegen 100 µm Kügelchen an, dann ist der Packungsfaktor der gleiche. Dementsprechend ist es erwünscht, einen anderen Satz kleinerer Kügelchen zu haben, um diesse in die Hohlräume zu packen. Es wird jedoch wieder Hohlräume zwischen den kleineren Kügelchen und den großen Kügelchen geben, so daß man einen weiteren Satz kleinerer Kügelchen brauchen würde, um die kleineren Hohlräume zu füllen.

Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie die Bildung von Pulver aus einer Schmelze mit hohem Wirkungsgrad bei der Nutzung des Gases gestattet. Die erhaltene Verbesserung ist recht überraschend, da das fein zerteilte Pulver einen höheren Prozentsatz an feinen Teilchen enthält und man vernünftigerweise sollte annehmen können, daß zu einer solchen feineren Zerteilung eine sehr viel stärkere Gasströmung erforderlich sein würde. Mit einer sehr viel stärkeren Gasströmung würde man natürlich einen geringeren Wirkungsgrad bei der Nutzung des Gases erhalten. Unter Anwendung der erfindungsgemäßen Düse wurde jedoch überraschenderweise festgestellt, daß, verglichen mit den konventionellen Verfahren, bei der erfindungsgemäßen Düse sehr feine Teilchen in einem höheren Prozentsatz mit einer verminderten Gasmenge hergestellt werden können.

Im allgemeinen ist es von Vorteil Pulver mit feineren Teilchen relativ gleichförmiger Größe oder mit einem engeren Größenbereich zu haben. Die Teilchen gleichmäßigerer Größe haben eine gleichmäßigere Kühlgeschichte. Die gleichmäßigere Kühlgeschichte machte die Teilchen gleichmäßiger hinsichtlich der metallurgischen Eigenschaften.

Als allgemeine Regel gilt, daß je kleiner die Teilchengröße und je enger die mittlere Teilchengröße und je gleichmäßiger die Größe der kleineren Teilchen eines Pulvers sind, umso wahrscheinlicher die aus diesem Pulver hergestellten Gegenstände gewisse Kombinationen erwünschter Eigenschaften aufweisen. Wenn im Idealfall alle Teilchen genau einen Durchmesser von 20 µm hätten, dann haben sie im wesentlichen alle die gleiche thermische Geschichte und die aus diesen Teilchen hergestellten Gegenstände würden Eigenschaften haben, die charakteristisch für die gleichmäßige Teilchengröße wären, aus denen sie gebildet wurden.

Eines der einzigartigen Merkmale der Technologie, die durch die vorliegende Erfindung ermöglicht wird, besteht darin, daß es eine engere Steuerung einer Anzahl von Parametern eines Pulverproduktes gestattet, das man durch Zerstäuben mit der Düse gemäß der vorliegenden Erfindung erhält.

So wurde es möglich, die etwas willkürliche Verteilung der Teilchengrößen, die in nach dem Stand der Technik hergestellten Pulvern angetroffen wird, zu ändern, um eine größere Konzentration der Teilchengröße eines ausgewählten Wertes zu gestatten.

Die Herstellung einer höheren Ausbeute einer ausgewählten Teilchengröße wird ungeachtet der ausgewählten Größe möglich. Wird zum Beispiel eine Teilchengröße von 10 µm als die Hauptgröße für ein Pulver ausgewählt, dann macht es die Steuerung der Variablen der vorliegenden Erfindung möglich, Teilchen der ausgewählten Größe besonders herzustellen. Sollen andererseits Teilchen von 50 oder 100 µm als die erwünschte Produktgröße ausgewählt werden, dann können die Verfahrensparameter in Übereinstimmung mit der Lehre nach der vorliegenden Erfindung so geändert werden, daß man Pulver erhält, die höhere Konzentrationen an Teilchen innerhalb des ausgewählten Größenbereiches enthalten.

Durch Anwendung der Verfahren nach dem Stand der Technik ist es möglich, einen weiten Bereich von Teilchengrößen in einem Ansatz herzustellen. Der wirtschaftliche Vorteil liegt jedoch darin, in der Lage zu sein, eine Teilchengröße mit einer relativ geringen Standardabweichung von einer ausgewählten Teilchengröße herzustellen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Herstellung wirtschaftlich wertvollerer Pulver mit einem gegebenen Durchgang einschließlich des Verbrauches einer gewissen Menge an Energie und Materialien.

Ein abgeleiteter Nutzen der Herstellung von Pulver nach der Lehre der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie nicht nur die Herstellung eines Pulvers mit einer relativ engen Teilchengrößenverteilung ermöglicht, sondern daß damit außerdem die Teilchen ein ausgewähltes Gefüge haben. Es ist durch die vorliegende Erfindung auch möglich, Teilchen herzustellen, die eine relativ große Teilchengröße und eine enge Teilchengrößenverteilung innerhalb einer gegebenen Probe haben. Die größeren Teilchen haben wegen ihres langsameren Abkühlens eine gröbere kristalline Struktur als Teilchen, die rascher abkühlen.

Durch Auswahl solcher Bedingungen, unter denen man feinere Teilchengrößen erhält, ist es daher möglich, ein Pulver herzustellen, das amorph ist, weil die kleineren Teilchen rascher abkühlen und weil es eine sehr enge Größenverteilung um die vorausgewählte Größe herum gibt.

Im Bereich des Zusammenfließens des Stromes aus geschmolzenem Metall und des Ringstrahles aus zerstäubendem Gas, der am Boden der Gaszufuhrkammer 28 durch die Ringöffnung 22 austritt, wird eine Zerstäubungszone gebildet. Das Schmelzezuführungsrohr 12 führt den Strom flüssigen Metalles durch den Hals der Gasdüse der Zerstäubungszone zu. Ein Element der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Gasdüsenkörpers, der mit einem geformten Ende eines Schmelzezuführungsrohres zusammenarbeitet, um eine Gasdüse mit einem ringförmigen Gasstrahl zu bilden, der mit dem geformten Ausgangsende des Schmelzezuführungsrohres zusammenarbeitet.

In anderen Worten ist das Vorsehen von geformten und konfigurierten und zusammenarbeitenden Enden am unteren Teil des Schmelzezuführungsrohres ein Element der vorliegenden Erfindung, wie es in der vorliegenden Anmeldung näher erläutert ist. Dies ist eine von mehreren unabhängig variablen Erscheinungen, die benutzt werden können, eine hervorragende Zerstäubung einer Vielfalt von Schmelzen zu erzielen.

Das dichte Anordnen von der Gasöffnung und der Öffnung des Schmelzezuführungsrohres gestattet es, der Oberfläche des Schmelzezuführungsrohres, einen Teil der ringförmigen Gasöffnung zu bilden und dadurch dem Gasstrahl zu gestatten, über das geformte Ende des Schmelzezuführungsrohres aus der Gaskammer auszutreten. Diese spülende Wirkung des Gasstrahles auf und gegen das untere Ende des Schmelzezuführungsrohres hat sich als wirksam erwiesen, zu einem starken Grade Teilchen erstarrenden oder erstarrten Metalls wegzutragen, die sich sonst auf dem unteren Ende des Schmelzezuführungsrohres bilden oder abscheiden und dort anwachsen würden. Es ist nicht bekannt, daß solche Teilchen an dem unteren Ende des Schmelzezuführungsrohres nicht anwachsen, und es ist bekannt, daß ein solches Anhalten bei den Zerstäubungsdüsen nach dem Stand der Technik stattfindet. Wegen der vorgenannten Maßnahme als eines mehrerer kombinierter Elemente bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung ist das Anhaften solcher flüssigen oder erstarrten Teilchen jedoch vermindert, und das spülende Gas kann das Abscheiden solcher Teilchen entweder verhindern oder abgeschiedene oder angewachsene Teilchen auf dem unteren Ende des Schmelzezuführungsrohres entfernen.

In der in Fig. 1 gezeigten, besonderen Konfiguration gibt es eine Kontinuität, Konformität und Ausrichtung zwischen der geformten unteren Oberfläche 18 des Schmelzezuführungsrohres 12 und der geformten umgebenden Oberfläche 26 der Kammer 20. Der Ringgasstrahl kann aus einer Anzahl von Konfigurationen bestehen und in einer Anzahl von Weisen hergestellt werden. Das wesentliche Merkmal gemäß diesem Aspekt, der in dieser Anmeldung als enges Kuppeln bezeichnet ist, ist ein ringförmiger Gasstrahl, der zumindest teilweise durch das untere geformte Ende des Schmelzezuführungsrohres und nahe der Schmelzoberfläche gebildet wird.

Damit das Gas im wesentlichen parallel zu einer flachen Oberfläche strömt, hat es eine Geschwindigkeitskomponente prinzipiell in einer Richtung. Nach einem endlichen Strömen entlang der Oberfläche ist es möglich, daß sich der Gasstrom von der Oberfläche abhebt und man an der Schnittlinie bzw. Stoßstelle zwischen der Oberfläche und dem strömenden Gas die Bildung von Wirbelströmen erhält. Diese Wirbelströme sind fast kreisförmige Gasströme. In dem Bereich, in dem es solche Wirbelströme gibt, kann die Gasströmung an der festen Oberfläche aufgrund der Wirbelströme entgegengesetzt zum Hauptstrom des Gases verlaufen.

Die Wirbelströme sind vorherrschender in der Gasstromsequenz mit turbulenter Strömung als bei laminarer Strömung. Nimmt der statische Druck des Gases zu, dann nimmt die Neigung zur Bildung von Wirbelströmen oder zur Strömungstrennung ab. Bei höherem Druck gibt es eine geringere Neigung zur Strömungstrennung. Strömt das Gas entlang der Außenoberfläche des Schmelzezuführungsrohres, dann wird der Strom durch die sich ändernde Kontur und die sich ändernde Strömungsrichtung an der Endoberflche hinter seiner Strömungsrichtung verändert. Diese Richtungsänderung verursacht eine Kompressionszone an der konturierten Schmelzrohr- Endoberfläche und verursacht einen lokalen Aufbau statischen Druckes. Der Druck drückt das Gas nach unten gegen die Oberfläche. Dies ist der Grund für die Änderung der Strömungsrichtung. Findet diese Änderung durch die Oberfläche in die Gasströmung hinein statt, dann wirkt dies zur Beseitigung der Strömungstrennung. Findet die Änderung der Strömungsrichtung durch die Oberfläche weg von der Gasströmung statt, dann verursacht dies eine Strömungstrennung. Es wird die Strömungstrennung verstärken oder sie verursachen, falls sie noch nicht stattgefunden hat.

Ein Weg, die stagnierende Schicht von der äußeren Oberfläche des Rohres wegzuspülen, besteht darin, die Oberflächenkonfiguration so zu ändern, daß das Gas seine Richtung ändern muß, wenn es mit der Oberfläche in Berührung gerät und über die Rohroberfläche strömt. Wenn zum Beispiel der Keilwinkel und der Winkel der Rohroberfläche mit Bezug auf die Oberfläche des Metalles, das aus dem Rohr austritt, in der Größenordnung von 15° liegt, dann gibt es eine bemerkbare Neigung zum Aufbau fester Niederschläge auf der Rohroberfläche. Unter den gleichen Bedingungen der Schmelzströmung und des Gasstromes sowie der Konfiguration der Oberflächen und Rohre gibt es einen deutlich geringeren oder keinen Aufbau fester Teilchen auf einer Oberfläche, die in einem Winkel von 22° zur Richtung des Austretens der Schmelze gebildet ist. Wenn daher, mit anderen Worten, der Keil 15° oder weniger beträgt, findet ein Aufbau von Teilchen auf der Oberfläche statt. Benutzt man dagegen einen Winkel von 22°, dann gibt es unter dem gleichen Satz von Bedingungen im wesentlichen keinen Aufbau von Teilchen auf der äußeren Oberfläche des Rohres.

Die Kurven der Fig. 3 und beispielhaft die Kurve E der Fig. 3 zeigt, daß der Teilchengrößenbereich, der durch die erfindungsgemäße Düse erhalten wird, wenn man dieses zur Herstellung feinen Pulvers anwendet, deutlich besser ist als der Teilchengrößenbereich der vorhandenen üblichen Verfahren.

Der schraffierte Bereich, der durch die Kurven E und F begrenzt ist, zeigt den Bereich von Pulver-Teilchengrößenverteilungen an, die mit der vorliegenden Erfindung erhalten werden.

Aus den verschiedenen Kurven der Fig. 3 ergibt sich, daß das unter Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellte Pulver einen Bereich von Teilchengrößen und kumulativen Teilchengrößen aufweist, der sehr viel geringer ist, als der von Pulvern, die nach üblichen Verfahren hergestellt wurden, insbesondere Pulvern im Bereich der kleineren Teilchengrößen von etwa 60 µm oder weniger.

Der schraffierte Bereich der Fig. 3 zwischen den Kurven E und F gibt den Bereich an in dem Pulverprodukte durch die vorliegende Erfindung erhalten werden können.

Aus dieser Darstellung wird deutlich, daß die erfindungsgemäße Düse es ermöglicht, Pulver mit 10 bis 37% der Teilchen mit einer Teilchengröße von 10 µm und darunter sowie Pulver herzustellen, von denen kumulativ zwischen 44 und 70% der Teilchen unterhalb einer Größe von 37 µm liegen.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können höhere Ausbeuten an feinem Pulver erhalten werden als mit anderen Vorrichtungen, da die Durchführung der Erfindung für eine wirksamere Übertragung der Energie des zerstäubenden Gases zum zu zerstäubenden flüssigen Metall sorgt.

Die Fig. 4 und 5 zeigen Düsenstrukturen, die in jeder Hinsicht der Struktur der Fig. 1 ähneln, ausgenommen der im folgenden beschriebenen. Es sind gleiche Bezugszahlen für gleiche Teile der Düsenstrukturen der Fig. 4 und 5 wie bei Fig. 1 benutzt. Die Teile haben auch im wesentlichen die gleichen Funktionen, wie sie oben im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurden.

Der wesentliche Unterschied betrifft die äußeren Oberflächen 18 des Schmelzezuführungsrohres und die innere Oberfläche 26 der Kammer.

Überraschenderweise wurde festgestellt, daß relativ geringe Unterschiede im Winkel, in dem diese Oberflächen mit Bezug auf die Rohr- oder Schmelzachse gebildet sind, relativ große Unterschiede in der Leistungsfähigkeit der Düse verursachen können.

In Fig. 1 sind die abgeschrägten Oberflächen 18 und 26 in einem gemeinsamen Winkel zur Achse des Schmelzrohres gebildet. Der Winkel beträgt 22°. Dies ist ein einfacher, gleichförmiger Winkel, unter dem das Gas längs der Oberfläche strömt, um auf die Oberfläche der austretenden Schmelze aufzutreffen.

In Fig. 4 ist der Winkel der Oberfläche 26 zur Rohrachse 22°, doch ist der Winkel der Oberfläche 18 zur Rohrachse kleiner, und zwar beträgt er 15°. Dementsprechend wird das Gas, das entlang dieser Kombination von Oberflächen strömt, in seiner Bewegung umgelenkt, wenn es die Oberfläche 26 verläßt und über die Oberfläche 18 zu strömen beginnt. Der Druck an der Oberfläche 18 wird leicht erhöht, da das sich bewegende Gas diesen Übergang durchmacht. Die Bildung einer turbulenten Welle und sich ergebender quirlender Wirbelströme wird vermindert, und die Oberfläche 18 ist weniger dem Abscheiden von anwachsendem Metall oder erstarrten Schmelze ausgesetzt. Es wurde festgestellt, daß beim tatsächlichen Einsatz einer solchen Düse mit dieser konkaven Kombination von Düsenoberflächen weniger Anwuchs auf der Oberfläche 18 stattfindet, und daß die Oberflächen 18 nach dem Verfahrensdurchgang recht sauber waren.

Im Gegensatz dazu wurden die Oberflächen 18 des Rohres einer Düse, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist, ziemlich verschmutzt und verfärbt beim tatsächlichen Gebrauch, und es trat merklich größerer Anwuchs auf der Oberfläche 18 auf als auf der gleichen Oberfläche der Düse nach Fig. 1 oder Fig. 4. Die Oberfläche 26 der Fig. 5 der Kammer hat einen Winkel zur Rohrachse von 15°. Die äußere Oberfläche 18 des Schmelzezuführungsrohres 12 liegt in einem Winkel von 22° zur Rohrachse.

Die konkave äußere Oberfläche des Schmelzezuführungsrohres 12 und die in Beziehung dazu stehende Oberfläche des Abstandshalters 42 lenken den Gasstrom um und begrenzen den Anwuchs auf der Oberfläche 18 der Düse wirksam.

Claims (4)

1. Düse zum Zerstäuben eines hochschmelzenden flüssigen Metalls mittels Gas mit einem zur Abgabe eines geschlossenen Schmelzentstromes ausgebildeten, ein Schmelzenaustrittsende aufweisenden Schmelzezuführungsrohr, das zentral innerhalb der Düse getragen ist, und mit einem Gaszuführungssystem mit einem ringförmigen Gasaustrittsspalt, der das Schmelzenaustrittsende des Schmelzezuführungsrohres umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere dem Gasstrom zugewandte Oberfläche des Schmelzenaustrittsendes des Schmelzezuführungsrohres eine konkave Konfiguration aufweist.

2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konkave Konfiguration des Schmelzenaustrittsendes dadurch gebildet wird, daß der Winkel der äußeren Oberfläche des Schmelzenaustrittsendes zur Achse des Schmelzezuführungsrohres größer ist als der entsprechende Winkel der äußeren Oberfläche des Schmelzezuführungsrohres, die sich an dem vom Schmelzenaustrittsende abgewandten Ende an die äußere Oberfläche des Schmelzenaustrittsendes anschließt.

3. Düse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Winkel der äußeren Oberfläche des Schmelzenaustrittsendes zur Achse des Schmelzezuführungsrohres um 3 bis 12° größer ist als der genannte entsprechende Winkel.

4. Düse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Winkel der äußeren Oberfläche des Schmelzenaustrittsendes zur Achse des Schmelzezuführungsrohres um 7° größer ist als der genannte entsprechende Winkel.