DE3830086A1

DE3830086A1 - Verfahren zum verduesen einer schmelze mit hilfe eines plasmastrahls

Info

Publication number: DE3830086A1
Application number: DE19883830086
Authority: DE
Inventors: Fehmi Dr Nilmen; Heinrich Dr Winter; Wolfgang Schwaemmlein
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1988-07-25
Filing date: 1988-09-03
Publication date: 1990-02-01

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdüsen einer Schmelze mit Hilfe eines Plasmastrahls.

Das Plasma als hochenergetischer, hochtemperierter Wärme träger wird in Schweiß-Schneid- und Spritzverfahren sowie für die metallurgische Erschmelzung in Spezialöfen einge setzt. Die relativ hohen Temperaturen, welche je nach Ort im Plasma zwischen 2000 und 30 040°C liegen, ermöglichen die Überführung von Basis- und/oder Legierungselementen in die für eine chemische Bindung günstige Ionenform.

Für AuflegierungsProzesse wurde das Lichtbogenplasma u.a. von Erdmann Jesnitzer (1, 2) und Mitarbeitern (3) einge setzt.

Für das kontinuierliche Auflegieren wurden verschiedene Geräte entwickelt. In einem ersten Verfahren ((1) Ab bildung 1, Verfahren I) wurde mit einem konventionellen Plasmabrenner Kupfer- oder Eisenpulver in flüssiges Blei eingeblasen ("Legierungsrinnenverfahren") und anschließend in vorgeheizte Kokillen vergossen. Ähnlich wird für das Einlegieren von Eisen in Aluminium vorgegangen (3). In einem zweiten Verfahren ((1) Abbildung 5 und 7) erfolgt das Auflegieren in einer dreistufigen Plasmakammer. Die resultierende Schmelze läuft dabei durch verschiedene Zwi schentiegel in eine Kokille ab. In dieser z. T. vorgewärmten Kokille 3 erstarrt die Schmelze relativ langsam ((2) Abbil dung 8, 10 und 11). Alle diese Verfahren führten zu keinen nennenswerten Ergebnissen sowie zu minimalen Konzentrationen des Legierungselementes wie (1, 2, 3) entnommen werden kann.

(1.) F. W. Bach und F. Erdmann-Jesnitzer,
Z. Metall 28, Oktober 1974, S. 986-992,
(2.) F. W. Bach und F. Erdmann-Jesnitzer,
Z. Metall 28, November 1974, S. 1091-1095,
(3.) F. W. Bach und F. Erdmann-Jesnitzer,
Z. Metall 32, August 1978, S. 787-791.

Zum Stand der Technik wird auch noch hingewiesen auf die DE-OS 37 34 424, die ein Verfahren zur Herstellung von dispersionsgehärteten Legierungen auf der Basis von Kupfer beschreibt, wobei der Kupferschmelze Molybdän beigemischt wird, das Gemisch um bis zu 1000°C über den Schmelzpunkt des Kupfers überhitzt wird und anschließend die resultierende Schmelze einer raschen Abkühlung im Bereich von 10⁴ bis 10⁶ °C pro Sekunde zur Erstarrung der Schmelze unterworfen wird. Eine Reaktion der Schmelze mit einem Plasmagas findet hier aber nicht statt. Einen ähnlichen Stand der Technik beschreibt im übrigen die DE-OS 35 22 341.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren vorzuschlagen, mit dem erfolgreich eine große Anzahl von Schmelzen in wirtschaftlich verwertbarer Weise verdüst werden kann, wobei die resultierenden Schmelzen tröpfchen mit dem Plasmagas in Reaktion treten.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekenn zeichnet, daß die Schmelze durch den schnellen und heißen plasmastrahl mit einer Geschwindigkeit zwischen etwa 50 und 950 m/sec und mit einer Temperatur zwischen etwa 2000 und 20 000°C mit einem Plasmagas zerteilt wird, das mit der Schmelze oder Teilen davon unter Bildung stabiler und/oder übersättigter Phasen reagiert, welche in den resultierenden, extrem rasch mit einer Erstarrungsrate größer als etwa 10⁴ °C/s erstarrten Pulvern entweder als extrem feine, gleichmäßig verteilte Dispersion ausge schieden wird oder eine übersättigte Lösung bildet.

Das erfindungsgemäße Verfahren macht somit erfolgreich Gebrauch von hochenergetischen und hochtemperierten Plasma strahlen. Durch die hohen Geschwindigkeiten des Plasmastrahls wird die Schmelze sehr fein zerteilt und es bildet sich ein Reaktionsraum aus, in dem die verdüste Schmelze mit dem ent sprechend gewählten Plasmagas reagieren kann. Durch die dann erfolgende, extrem rasche Erstarrung bildet sich die fein verteilte Dispersion der Reaktionsprodukte oder die über sättigte Lösung, die dann pulvermetallurgisch weiterverar beitet werden kann. Mit anderen Worten reagiert das Plasma gas mit der Schmelze unter Bildung stabiler und/oder über sättigter Phasen, welche sich aufgrund der extrem raschen Erstarrungsgeschwindigkeit der gebildeten Schmelzentröpfchen in den resultierenden Pulvern entweder als mikrofeine Dis persion ausscheiden oder übersättigte, feste Lösungen bilden.

Die Schmelze wird also unmittelbar nach der Reaktion mit dem Plasmagas der extrem raschen Erstarrung unterworfen, die im allgemeinen größer als 10⁴ oder auch größer als 10⁵ °C pro Sekunde ist.

Dazu werden zum Verdüsen die aus dem Plasmabrenner aus tretenden extrem schnellen (50 bis 950 m/s) und heißen (2000 bis 20 000°C) Plasmagase sowohl zur Reaktion bzw. zum Auflegieren als auch zum Zerteilen der Schmelze in kleine Tröpfchen genutzt, die im heißen Plasma extrem schnell reagieren.

Wie in Fig. 2 dargestellt, ergibt sich eine Reaktionszone, welche die auflegierten Tröpfchen durcheilen, um in einem kühleren Medium extrem rasch zu erstarren.

Die Erfindung wurde in ersten Versuchen erfolgreich demon striert. Dazu wurde eine Legierung des Kupfers mit etwa 2 Gew.% Zirkonium mit Wasser zu einem Pulver mit einer mittleren Korngröße von 45µm verdüst. Dieses Pulver wurde mit Stickstoff als Trägergas in einen handelsüblichen Plasmabrenner eingeführt und mit Stickstoff als Plasmagas aufgeschmolzen und zerteilt, wobei der Anteil an Zirkonium in der Kupferlegierung nahezu vollständig in ZrN umgesetzt wurde, das in einer feinen Dispersion mit einer Dispersoid größe von weniger als 0,1µm in den im freien Flug rasch erstarrten Schmelzentröpfchen einer Größe von etwa 25µm ausgeschieden war. Nach dem Kompaktieren und Sintern wurden die resultierenden Formkörper entweder mit heiß-isostatischen Pressen zu dichten Formkörpern verpreßt und/oder direkt zu Profilen wie Rohren oder Draht stranggepreßt. Der resul tierende Werkstoff zeigte eine Erweichungstemperatur von 927°C und wies eine elektrische Leitfähigkeit von 97% IACS auf.

Claims

1. Verfahren zum Verdüsen einer Schmelze mit Hilfe eines Plasmastrahls, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze durch den schnellen und heißen Plasma strahl mit einer Geschwindigkeit zwischen etwa 50 und 950 m/sec und mit einer Temperatur zwischen etwa 2000 und 20 000°C mit einem Plasmagas zerteilt wird, das mit der Schmelze oder Teilen davon unter Bildung stabiler und/oder übersättigter Phasen reagiert, welche in den resultierenden, extrem rasch mit einer Erstarrungsrate größer als etwa 10⁴ °C/sec erstarrten Pulvern entweder als extrem feine, gleichmäßig verteilte Dispersion ausgeschieden werden und/ oder eine übersättigte Lösung bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Plasmabrenner konzentrisch um einen frei fallenden Schmelzenstrahl angeordnet und nach unten geneigt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze durch Einbringen von Pulvern oder Drähten in die Plasmazone erzeugt und durch den Plasmastrahl zer teilt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß als Plasmagas Stickstoff verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß als Schmelze solche von Legierungen des Kupfers, Silbers oder Goldes mit 0,5 bis 5% Zirkonium oder Titan zu mit ZrN oder TiN dispersionsgehärteten Legierungen mit einer Erweichungstemperatur von über 900°C und einer elek trischen Leitfähigkeit von über 95% IACS verarbeitet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß als Schmelze Legierungen des Eisens aufgestickt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß Legierungen des Nickels oder Kobalts mit 1 bis 5% Hafnium zu mit HfN dispersionsgehärteten Legierungen mit einer hohen Kriechbeständigkeit bis 1250°C verarbeitet werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminiumschmelzen, insbesondere mit 0,3 bis 3% Zirko nium, zu mit AlN und/oder ZrN dispersionsgehärteten Legierungen verarbeitet werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß als Plasmagas Methan verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Schmelze Legierungen des Aluminiums oder Kupfers mit 1 bis 5% Titan oder Zirkonium zu mit TiC bzw. ZrC dispersionsgehärteten Legierungen verarbeitet werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß als Plasmagas Argon mit Anteilen von 30 bis 70% Sauerstoff verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schmelze mit einer Zusammensetzung in Gew.% von etwa 12,3% Eu, etwa 22,3% Ba, etwa 15,4% Cu und etwa 50% Au mit dem Sauerstoffanteil des Plasmagases zu dem Hoch temperatursupraleiter Eu₁Ba₂Cu₃O_7-x umgesetzt wird, welcher in einer Goldmatrix eingelagert ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß als Plasmagas Argon mit Anteilen von etwa 10 bis etwa 75% Wasserstoff und Zusätzen von etwa 1 bis 15% Wolfram hexafluorid gewählt wird, welches mit einer Kupferschmelze zu Kupferlegierungen mit einer extrem feinen Dispersion von Wolframteilchen umgesetzt wird.

14. Verfahren zur Weiterverarbeitung der nach Anspruch 1-13 hergestellten Pulverteilchen durch Pressen, Sintern und anschließendes Umformen zu Halbzeug oder Fertigteilen, wie Rohren, Stangen und Profilen.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverteilchen heiß-isostatisch kompaktiert (HIP) und anschließend umgeformt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverteilchen kalt-isostatisch kompaktiert (CIP) und anschließend gesintert und umgeformt werden.