EP0545884A2 - Steel and process and installation for its preparation - Google Patents

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EP0545884A2
EP0545884A2 EP92890244A EP92890244A EP0545884A2 EP 0545884 A2 EP0545884 A2 EP 0545884A2 EP 92890244 A EP92890244 A EP 92890244A EP 92890244 A EP92890244 A EP 92890244A EP 0545884 A2 EP0545884 A2 EP 0545884A2
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EP
European Patent Office
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sulfur
steel
metal
alloy
powder
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Withdrawn
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EP92890244A
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German (de)
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Bruno Dipl. Ing. Hribernik
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Voestalpine Boehler Edelstahl GmbH
Original Assignee
Boehler Edelstahl GmbH
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C33/00—Making ferrous alloys
    • C22C33/02—Making ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C33/0207—Using a mixture of prealloyed powders or a master alloy
    • C22C33/0221—Using a mixture of prealloyed powders or a master alloy comprising S or a sulfur compound
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C5/00—Manufacture of carbon-steel, e.g. plain mild steel, medium carbon steel or cast steel or stainless steel
    • C21C5/56—Manufacture of steel by other methods
    • C21C5/567—Manufacture of steel by other methods operating in a continuous way
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
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    • C22C1/1036—Alloys containing non-metals starting from a melt
    • C22C1/1042—Alloys containing non-metals starting from a melt by atomising
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/123—Spraying molten metal

Definitions

  • Steels produced according to the invention can, for example, essentially have a composition of the following type: Carbon 0 ⁇ , 1 to 2.0 ⁇ wt .-%, preferably 0 ⁇ , 10 ⁇ to 0 ⁇ , 14 wt .-%, Silicon 0 ⁇ , 1 to 0.5 wt .-%, preferably 0 ⁇ , 2 to 0 ⁇ , 4 wt .-%, Chromium 0 ⁇ , 3 to 20 ⁇ , 0 ⁇ wt .-%, preferably 0 ⁇ , 4 to 4.0 ⁇ , Nickel 0 ⁇ , 1 to 5 wt .-%, preferably 3 to 4 wt .-%, Molybdenum up to 1.6% by weight, Aluminum up to 1.0% by weight
  • the rest of the alloy is formed by iron and the mentioned additions of sulfur and manganese, and at most other elements that promote machinability can also be added in appropriate amounts. It goes without saying that some of the alloying elements mentioned above may also be missing: carbon is, however, a mandatory alloying element.

Abstract

The invention relates to an iron-based alloy with at least manganese, carbon and sulphur as alloying additives, in particular having good use properties in plastics processing, and to a process and equipment for the manufacture thereof. According to the invention it is provided that the objects consist in their original form of compacted material or are produced by spraying of the molten metal or powder-metallurgically, a quantity of sulphur or sulphur compound(s), which effects an average sulphur content of 0.05 to 0.3 % by weight, being added to the material during the production and being allowed to react, and the compacted material or the objects in their original form being further processed by hot-isostatic pressing and/or hot-forming.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stahl bzw. Legierung, insbesondere Kunstofformenstahl, sowie daraus hergestellte Blöcke, Vorformstücke, Werkzeuge, Teile oder dgl., gegebenenfalls im wärmebehandelten bzw. vergüteten Zustand, insbesondere mit guten Gebrauchseigenschaften bei der Kunststoffverarbeitung, mit Eisen als Basiselement und zumindest Mangan, Kohlenstoff und Schwefel als Legierungszusätze.The invention relates to a steel or alloy, in particular plastic mold steel, and blocks, preforms, tools, parts or the like produced therefrom, optionally in the heat-treated or tempered state, in particular with good performance properties in plastics processing, with iron as the base element and at least manganese, Carbon and sulfur as alloy additives.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Stahl bzw. Legierung, insbesondere Kunststofformenstahl, sowie daraus gefertigten Blöcken, Vorformstücken, Werkzeugen, Teilen oder dgl., mit durch Wärmebehandeln bzw. Vergüten eingestellter Mikrostruktur, im gegebenenfalls ausreichend spanabhebend bearbeitbaren Zustand, insbesondere mit guten Gebrauchseigenschaften bei der Kunststoffverarbeitung, mit Eisen als Basiselement und zumindest Mangan, Kohlenstoff und Schwefel als Legierungszusätze.Furthermore, the invention relates to a process for the production of steel or alloy, in particular plastic mold steel, and blocks, preforms, tools, parts or the like made therefrom, with a microstructure set by heat treatment or tempering, in a state which may be sufficiently machinable, in particular with good Usage properties in plastics processing, with iron as the basic element and at least manganese, carbon and sulfur as alloy additives.

Schließlich betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung zur Herstellung von Stahl bzw. Legierung, insbesondere Kunststoff-formenstahl, sowie daraus gefertigten Blöcken, Vorformstücken, Werkzeugen, Teilen oder dgl., mit durch Wärmebehandlen bzw. Vergüten eingestellter Mikrostruktur und im gegebenenfalls ausreichend spanabhebend bearbeiteten Zustand, insbesondere mit guten Gebrauchseigenschaften bei der Kunststoffverarbeitung, mit Eisen als Basiselement und zumindest Mangan, Kohlenstoff und Schwefel als Legierungszusätze, insbesondere zur Herstellung eines Stahles bzw. von Gegenständen.Finally, the invention also relates to a device for producing steel or alloy, in particular plastic-shaped steel, and blocks, preforms, tools, parts or the like made therefrom, with a microstructure set by heat treatment or tempering and, if appropriate, in a sufficiently machined state, in particular with good usage properties in plastics processing, with iron as the base element and at least manganese, carbon and sulfur as alloy additives, in particular for the production of a steel or of objects.

Ziel der Erfindung ist die Erstellung eines Stahles, insbesondere Kunststofformenstahles bzw. ähnlichen Stahltyps, wie er insbesondere zur Herstellung von großen und homogene Struktur aufweisenden, also makroseigerungsfreien Schmiedeblöcken, Werkzeugen, Druckgußformen, Kaltumformwerkzeugen, Kunststoffspritzwerkzeugen, Preßwerkzeugen sowie Elastomerwerkzeugen verschiedenster Art eingesetzt werden kann. Derartige Stähle sollen gute Zerspanbarkeit auch im vergüteten Zustand, ausgezeichnete Polierbarkeit sowie gleichzeitig Photoätzbarkeit und Erodierbarkeit bei gleichzeitiger guter Schweißbarkeit besitzen. Besonders schwierig ist es, derartige Stähle im gehärteten und angelassenen Zustand leicht zerspanbar zu machen, ohne dabei Einbußen in Hinblick auf die Festigkeit und Polierbarkeit bzw. Mikrorißfestigkeit in Kauf nehmen zu müssen. Darüberhinaus sollen diese Stähle eine sehr homogene Mikrostuktur besitzen, da Kornvergröberungen und Makroseigerungen eine nicht erwünschte Strukturbeeinflussung bewirken. Wesentliches Ziel der Erfindung ist es jedoch, derartigen Stählen beste Automatenstahleigenschaften zu verleihen.The aim of the invention is the production of a steel, in particular plastic mold steel or similar steel types, as can be used in particular for the production of large and homogeneous structure, that is to say free from macro-segregation, forging blocks, tools, die casting molds, cold forming tools, plastic injection tools, pressing tools and a wide variety of elastomer tools. Such steels are said to have good machinability even in the quenched and tempered state, excellent polishability and, at the same time, photoetchability and erodibility with simultaneous good weldability. It is particularly difficult to make such steels easily machinable in the hardened and tempered state, without having to accept losses in terms of strength and polishability or micro-crack resistance. In addition, these steels should have a very homogeneous microstructure, since grain coarsening and macro-segregation have an undesirable influence on the structure. However, an essential aim of the invention is to give such steels the best free-cutting steel properties.

Diese Ziele werden mit einem Stahl, einem Verfahren und einer Vorrichtung der eingangs genannten Art im wesentlichen dadurch erreicht, daß der Stahl bzw. die Gegenstände in ihrer Urform aus kompaktiertem Material bestehen, welches zumindest teilweise durch Sprühen bzw. Spritzen des flüssigen Metalles oder pulvermetallurgisch hergestellt ist und insbesondere zur Erreichung verbesserter Zerspanbarkeit des Werkstoffes einen Durchschnittsgehalt von in Gew.- % 0̸,0̸5 bis 0̸,3, vorzugsweise 0̸,0̸7 bis 0̸,2, insbesondere 0̸,0̸9 bis 0̸,14 , Schwefel aufweist und daß das kompaktierte Material gegebenenfalls durch HIPen und /oder Warmumformen, zum Beispiel Walzen oder Schmieden und dgl., verdichtet und/oder verformt ist, und verfahrensgemäß Gegenstände in ihrer Urform aus kompaktiertem Material gebildet werden, welches zumindest teilweise durch Sprühen bzw. Spritzen des flüssigen Metalles oder pulvermetallurgisch hergestellt wird, wobei insbesondere zur Erreichung verbesserter Zerspanbarkeit des Werkstoffes Schwefel mit einem Durchschnittsgehalt von in Gew.-% 0̸,0̸5 bis 0̸,3, vorzugsweise 0̸,0̸7 bis 0̸,2, insbesondere 0̸,0̸9 bis 0̸,14, zugegeben und reagieren gelassen wird und das kompaktierte Material, gegebenenfalls durch HIPen und/oder Warmumformen, zum Beispiel Walzen, Schmieden oder dgl., verdichtet und/oder verformt bzw. weiterverarbeitet wird, und als Vorrichtung eine an sich bekannte Einrichtung zum Spitzen bzw. Verdüsen des flüssigen Metalles bzw. der flüssigen Legierung in eine Aufnahme bzw. Vorform oder in ein Pulversammelgefäß für die Metallteilchen vorgesehen ist, wobei die Einrichtung zur Einbringung in das flüssige Metall und/oder in den Teilchen-Strahl bzw.- Strom, insbesondere im Bereich der Zerstäubeeinrichtung und/oder in die Zuleitung des vorzugsweise inerten Sprühgases zur Zerstäubeeinrichtung mindestens eine Bereitstellungs-und Mischvorrichtung für Schwefel und/oder zumindest eine Schwefelverbindung, z.B. Schwefelkohlenstoff und gegebenenfalls mindestens eine Zufuhreinheit mit Einbringdüse(n) aufweist.These goals are essentially achieved with a steel, a method and a device of the type mentioned at the beginning in that the steel or the objects in their original form consist of compacted material which is at least partially produced by spraying or spraying the liquid metal or by powder metallurgy is and in particular to achieve improved machinability of the material an average content of in% by weight 0̸, 0̸5 to 0̸, 3, preferably 0̸, 0̸7 to 0̸, 2, in particular 0̸, 0̸9 to 0̸, 14, sulfur and that the compacted material optionally compressed and / or deformed by HIPing and / or hot forming, for example rolling or forging and the like, and according to the method, objects are formed in their original form from compacted material which is at least partially produced by spraying or spraying the liquid metal or by powder metallurgy is, in particular to achieve improved Machinability of the Material sulfur with an average content of in wt .-% 0̸, 0̸5 to 0̸, 3, preferably 0̸, 0̸7 to 0̸, 2, in particular 0̸, 0̸9 to 0̸, 14, is added and allowed to react and the compacted material, optionally by HIPen and / or hot forming, for example rolling, forging or the like, is compressed and / or shaped or further processed, and as a device a device known per se for tipping or atomizing the liquid metal or the liquid alloy into a receptacle or Preform or in a powder collection vessel for the metal particles is provided, the device for introduction into the liquid metal and / or into the particle jet or stream, in particular in the area of the atomizing device and / or in the feed line of the preferably inert spray gas to the atomizing device at least one preparation and mixing device for sulfur and / or at least one sulfur compound, for example carbon disulfide and given if necessary has at least one feed unit with insertion nozzle (s).

Daß bei im wesentlichen allen Verfahren der Tröpfchenkompaktierung oder pulvermetallurgischen Herstellung eine feine Mikrostruktur, z.B. bei ledeburitischen- oder Schnellstählen geringe Karbidkorngröße und dadurch verbesserte Zähigkeit und Verformbarkeit erreicht wird, ist bekannt. Umso überraschender war, daß, wie gefunden wurde, verkleinerte Sulfideinschlüsse die Zerspanbarkeit des Werkstoffes wesentlich verbessern, wobei jedoch die weiteren Materialeigenschaften wie Homogenität, Schweißbarkeit, Ätzbarkeit und dgl. vorteilhaft beeinflußt werden. Weiters war es für den Fachmann völlig erstaunlich, daß gegebenenfalls trotz einer höheren örtlichen Schwefelkonzentration die Festigkeit des hergestellten Stahles erhalten bleibt und insbesondere eine Ausbildung von Eisensulfid vermeidbar ist, welche für die Stahleigenschaften von Nachteil wäre und insbesondere zum Rotbruch bei der Warmverformung führt. Die eingelagerten Sulfidteilchen bewirken trotz geringer Größe völlig unerwartet offensichtlich auf Grund ihrer homogenen Verteilung beim Zerspanen des Stahls, daß die abgehobenen Späne bereits nach sehr kurzen Spanlängen brechen. Es zeigte sich, daß der beim Verdüsen der flüssigen Legierung zugesetzte Schwefel die Metallteilchen unter Ausbildung einer dünnen schwefelhältigen Oberflächenschicht bzw. schwefelhältigen oberflächennahen Schicht umgibt bzw. im Produkt im wesentlichen zwischen den einzelnen Körnern als Schwefelverbindung eingelagert ist und die guten Stahleigenschaften insbesondere im vergüteten Zustand des Teiles nicht beeinflußt, jedoch ein Brechen von abgehobenen Spänen bei kurzer Spanlänge bewirkt.It is known that a fine microstructure, for example in the case of ledeburitic or high-speed steels, of small carbide grain size and thus improved toughness and deformability is achieved in essentially all methods of droplet compaction or powder metallurgical production. It was all the more surprising that it was found that reduced sulfide inclusions significantly improve the machinability of the material, but the other material properties such as homogeneity, weldability, etchability and the like are advantageously influenced. Furthermore, it was completely astonishing for the person skilled in the art that the strength of the steel produced may be retained, in spite of a higher local sulfur concentration, and in particular the formation of iron sulfide can be avoided, which would be disadvantageous for the steel properties and in particular lead to red fracture during hot working. Despite the small size, the embedded sulfide particles obviously unexpectedly cause the chips removed due to their homogeneous distribution when cutting the steel break after very short chip lengths. It was found that the sulfur added during the atomization of the liquid alloy surrounds the metal particles with the formation of a thin sulfur-containing surface layer or layer containing sulfur near the surface or is essentially stored in the product as a sulfur compound between the individual grains and the good steel properties, particularly in the tempered state of the Part not affected, but causes chips to be broken with a short chip length.

Durch das Einbringen des Schwefels in möglichst gleichmäßig verteilter Form in Bezug auf die verdüsten Metallteilchen können die in der Urform sprühkompaktierten bzw. im PM- Verfahren hergestellten Stahllegierungen bzw. Gegenstände ohne weiteres durch HIPen oder Schmieden weiter verdichtet und die gewünschten hohen Festigkeiten erreicht werden. Schließlich zeigte es sich auch, daß die bei der Herstellung des Stahles im konventionellen Blockgußverfahren durch Zusatz von Schwefel unvermeidbaren Makro-Seigerungen vermieden werden.By introducing the sulfur in a form that is as evenly distributed as possible in relation to the atomized metal particles, the steel alloys or objects spray-compacted in the original form or manufactured using the PM process can be further compacted by HIPing or forging and the desired high strengths can be achieved. Finally, it was also found that the macro segregations which are inevitable in the production of the steel in the conventional ingot casting process by adding sulfur are avoided.

Die hergestellten Stahllegierungen besitzen neben einer ausgezeichneten Zerspanbarkeit auch ein gleichmäßiges Gefüge und weitgehend isotrope mechanische Eigenschaften bei guter Zähigkeit.In addition to excellent machinability, the steel alloys produced also have a uniform structure and largely isotropic mechanical properties with good toughness.

Die Konzentration des Schwefels in den oberflächennahen Schichten der kompaktierten Teilchen hängt von der Menge des in den Metallstrahl eingedüsten Schwefels ab und kann entsprechend den vorgegebenen Mengen variiert werden.The concentration of sulfur in the near-surface layers of the compacted particles depends on the amount of sulfur injected into the metal jet and can be varied in accordance with the specified amounts.

Zu bemerken ist ferner, daß der Mangangehalt der Stahllegierung niedrig gehalten werden kann und es ist vorteilhaft, gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 5 vorzugehen. Überraschenderweise zeigte es sich, daß eine örtlich höhere Schwefelkonzentration nicht hohe Mangankonzentrationen bedingt, um die Bildung von Eisensulfid zu verhindern, sondern daß bei der gewählten Vorgangsweise die Mangankonzentrationen gering angesetzt werden können, da wahrscheinlich durch temperaturbedingte Diffusion eine Eisensulfidbildung nicht eintritt.It should also be noted that the manganese content of the steel alloy can be kept low and it is advantageous to proceed in accordance with the features of claim 5. Surprisingly, it was found that a locally higher sulfur concentration does not result in high manganese concentrations in order to prevent the formation of iron sulfide, but that in the chosen procedure the Manganese concentrations can be set low, since iron sulfide formation probably does not occur due to temperature-related diffusion.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß durch Ergänzung der herkömmlichen Anlagen einfach durchzuführen und erbringt die im Zusammenhang mit dem hergestellten Stahl zuvor beschriebene Vorteile. Der Schwefel wird dabei mit dem flüssigen Stahl bzw. der flüssigen Legierung reagieren gelassen , wobei bedingt durch das Verfahren feine Sulfidteilchen entstehen. Eine Eindüsung des Schwefels und/oder der Schwefelverbindungen in entsprechendem Aggregatzustand kann vom Fachmann ohne weiteres bewerkstelligt werden, indem entweder der Schwefel und/oder die Schwefelverbindungen mit entsprechend hohem Druck in den Strom aus gesprühten Metallteilchen einedüst oder, ähnlich wie bei einer Wasserstrahlpumpe, durch den im Metallstrahl herrschenden Unterdruck in diesen hineingesogen werden.According to the invention, a method of the type mentioned at the outset is simple to carry out by supplementing the conventional systems and provides the advantages described above in connection with the steel produced. The sulfur is reacted with the liquid steel or the liquid alloy, whereby fine sulfide particles are created due to the process. Injection of the sulfur and / or the sulfur compounds in the appropriate state of aggregation can easily be accomplished by the person skilled in the art by either injecting the sulfur and / or the sulfur compounds with a correspondingly high pressure into the stream of sprayed metal particles or, similarly to a water jet pump, by the the negative pressure prevailing in the metal jet is sucked into it.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Schwefel und/oder die Schwefelverbindungen in einem Inertgasträgerstrom in die gesprühte Metallegierung eingebracht werden oder die Zerteilung des flüssigen Metalls mit schwefelhältigem Inertgas erfolgt. Zweckmäßig ist es dabei, eine Druckeinbringung vorzusehen, um eine gleichmäßige Verteilung im Sprühstrahl zu erreichen.A preferred embodiment of the invention provides for the sulfur and / or the sulfur compounds to be introduced into the sprayed metal alloy in an inert gas carrier stream or for the liquid metal to be divided up with sulfur-containing inert gas. It is expedient to provide pressure in order to achieve a uniform distribution in the spray jet.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß durch Einrichtungen zur Einbringung des Schwefels in das Metall bzw. in die Tröpfchen mit zugeordneter Bereitstellungs- und Mischanlage charakterisiert.A device of the type mentioned at the outset is characterized according to the invention by devices for introducing the sulfur into the metal or into the droplets with an associated preparation and mixing system.

Durch die im Düsenbereich für den Metalltröpfchenstrahl vorgesehene Zufuhreinheit können der Schwefel und/oder Schwefelverbindunen unter entsprechendem Druck und in entsprechender gleichmäßiger Verteilung in den Teilchenstrahl eingebracht werden. Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, daß der Zufuhreinheit eine Speichereinheit für den Schwefel und/oder die Schwefelverbindungen vorgeordnet ist, aus der diese z.B. mittels eines Inertgasträgerstromes in den Metalltröpfchenstrahl gefördert werden.The feed unit provided for the metal droplet jet in the nozzle area allows the sulfur and / or sulfur compounds to be introduced into the particle jet under appropriate pressure and in a correspondingly uniform distribution. It can advantageously be provided that the feed unit has a Storage unit for the sulfur and / or the sulfur compounds is arranged upstream, from which they are conveyed into the metal droplet jet, for example by means of an inert gas carrier stream.

Die Aufbereitung des Schwefels und/oder der Schwefelverbindungen in der Speichereinheit kann z.B. mittels einer entsprechenden Heizeinrichtung erfolgen, die Schwefel in geschmolzene bzw. dampfförmige Form überführt und in entsprechender Menge an der Zufuhrdüse zur Verfügung stellt.
Besonders vorteilhaft im Hinblick auf hohe Produktgüte anwendbar ist eine Anlage, in welcher der Teilchenstrahl durch ein schwefelhältiges Medium, z.B. Inertgas, gebildet wird.The sulfur and / or the sulfur compounds in the storage unit can be processed, for example, by means of a corresponding heating device which converts the sulfur into molten or vaporous form and makes it available in an appropriate amount to the feed nozzle.
A plant in which the particle beam is formed by a sulfur-containing medium, for example inert gas, can be used particularly advantageously with regard to high product quality.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich weiters aus der folgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen.Preferred embodiments of the invention also emerge from the following description, the drawing and the patent claims.

Im folgenden wird nunmehr die Erfindung anhang der Zeichnung und Beispielen näher erläutert.The invention will now be explained in more detail with reference to the drawing and examples.

In der Zeichnung ist schematisch eine an sich bekannte Einrichtung zum Metallspritzen dargestellt. Diese Einrichtung A umfaßt im wesentlichen einen Behälter 1 für flüssige Metallegierung 2, die durch eine Öffnung 0̸1 entweder auf Grund ihres Eigengewichtes oder durch Druckbeaufschlagung ausgeleitet und mittels einer Zerstäubeeinrichtung 6 verdüst bzw. in Tröpfchen zerteilt wird. Der verdüste Metallstrahl 3 kann entweder in einer Vorform 4 aufgefangen werden, wobei sich die nicht vollkommen erstarrten Tröpfchen zu einem geformten Gegenstand 5 niederschlagen oder nach dem Durcherstarren der Tröpfchen in einem Pulversammenbehälter aufgefangen und zu einer Vorform verarbeitet werden.In the drawing, a known device for metal spraying is shown schematically. This device A essentially comprises a container 1 for liquid metal alloy 2, which is discharged through an opening 0-1 either due to its own weight or by pressurization and atomized by means of an atomizing device 6 or divided into droplets. The atomized metal jet 3 can either be collected in a preform 4, the droplets which are not completely solidified forming a shaped object 5 or, after the droplets have solidified, are collected in a powder collecting container and processed into a preform.

Im Bereich der Zerstäubeeinrichtung 6 bzw. vorteilhafterweise in der ersten Hälfte des Tröpfchenstrahles 3 ist eine Zufuhreinrichtung 7 mit entsprechenden Düsen 8, z.B. eine Ringdüse, vorgesehen, mit der Schwefel und/oder Schwefelverbindungen aus einer Speichereinheit bzw. Bereitstellungseinrichtung 9 dem Metallstrahl 3 zugesetzt werden können. In der Speichereinheit 9 können Schwefel und/oder die entsprechenden Schwefelverbindungen 10̸ mit einer entsprechenden Heizeinrichtung 11 auf eine für das Eindüsen entsprechende Temperatur erhitzt werden. Mit 12 ist eine Zufuhreinrichtung für einen Inertgasförder- bzw.- trägerstrom bezeichnet, mit der Schwefel bzw. schwefelhältige Dämpfe in die Zufuhreinheit 7 gefördert werden können. Schwefel bzw. schwefelhältige Medien, welche aus einer Speichereinheit bzw. Bereitstellungsvorrichtung 9 stammen, können über Mischvorrichtungen 91 genau dosiert werden, wobei auch eine Beimischung zum Sprühgas der Zerstäubeeinrichtung 6 möglich ist.In the area of the atomizing device 6 or advantageously in the first half of the droplet jet 3 there is a feed device 7 with corresponding nozzles 8, for example an annular nozzle, provided with which sulfur and / or sulfur compounds can be added to the metal jet 3 from a storage unit or provision device 9. In the storage unit 9, sulfur and / or the corresponding sulfur compounds 10̸ can be heated with a corresponding heating device 11 to a temperature appropriate for the injection. A feed device for an inert gas feed or carrier flow is designated by 12, with which sulfur or sulfur-containing vapors can be fed into the feed unit 7. Sulfur or sulfur-containing media, which originate from a storage unit or preparation device 9, can be metered precisely via mixing devices 91, wherein an addition to the spray gas of the atomizing device 6 is also possible.

Erfindungsgemäß hergestellte Stähle können z.B. im wesentlichen eine Zusammensetzung der folgenden Art besitzen:
Kohlenstoff 0̸,1 bis 2,0̸ Gew.-%, vorzugsweise 0̸,10̸ bis 0̸,14 Gew.-%,
Silizium 0̸,1 bis 0,5 Gew.-%, vorzugsweise 0̸,2 bis 0̸,4 Gew.-%,
Chrom 0̸,3 bis 20̸,0̸ Gew.-%, vorzugsweise 0̸,4 bis 4,0̸,
Nickel 0̸,1 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise 3 bis 4 Gew.-%,
Molybdän bis 1,6 Gew.-%,
Aluminium bis 1,0̸ Gew.-%
der Rest der Legierung wird von Eisen und den erwähnten Zusätzen von Schwefel und Mangan gebildet, wobei allenfalls auch noch weitere die Zerspanbarkeit fördernde Elemente in entsprechenden Mengen zugesetzt werden können. Es versteht sich, daß einige der zuvor angeführten Legierungselemente auch fehlen können: Kohlenstoff ist jedoch ein zwingend vorgesehenes Legierungselement.Steels produced according to the invention can, for example, essentially have a composition of the following type:
Carbon 0̸, 1 to 2.0̸ wt .-%, preferably 0̸, 10̸ to 0̸, 14 wt .-%,
Silicon 0̸, 1 to 0.5 wt .-%, preferably 0̸, 2 to 0̸, 4 wt .-%,
Chromium 0̸, 3 to 20̸, 0̸ wt .-%, preferably 0̸, 4 to 4.0̸,
Nickel 0̸, 1 to 5 wt .-%, preferably 3 to 4 wt .-%,
Molybdenum up to 1.6% by weight,
Aluminum up to 1.0% by weight
The rest of the alloy is formed by iron and the mentioned additions of sulfur and manganese, and at most other elements that promote machinability can also be added in appropriate amounts. It goes without saying that some of the alloying elements mentioned above may also be missing: carbon is, however, a mandatory alloying element.

Mit einer Legierungsschmelze enthaltend 0̸,12 Gew.-% C, 0̸,3 Gew.-& Si, 2,5 Gew.-% Mangan, 0̸,35 Gew.-% Chrom, 3,5 Gew.-% Nickel, 1,2 Gew.-% Kupfer, 1,15 Gew.-% Aluminium und 0,13 Gew.-% Schwefel, Rest Eisen, wurde ein Körper als Urform mit einer Gesamtdicke von 110̸ mm gesprüht und durch Schmieden zu einem Vorformmaterial für Werkzeuge warmverformt. Es zeigte sich, daß der zugegebene Schwefel bzw. die kleinen Sulfideinschlüsse insbesondere an den Grenzen der kompaktierten Teilchen verteilt war bzw. waren, wobei die notwendige Feinkörnigkeit gegeben war. Bei spanabhebender Bearbeitung zeigt sich, daß ein Brechen der Späne bei einer Spanlänge von etwa 1 bis 6 mm eintrat.With an alloy melt containing 0̸, 12% by weight C, 0̸, 3% by weight & Si, 2.5% by weight manganese, 0̸, 35% by weight chromium, 3.5% by weight nickel, 1 , 2 wt .-% copper, 1.15 wt .-% aluminum and 0.13 wt .-% sulfur, the rest iron, a body was sprayed as a master mold with a total thickness of 110̸ mm and thermoformed by forging into a preform material for tools . It was found that the added sulfur or small sulfide inclusions were or were distributed, in particular, at the boundaries of the compacted particles, the necessary fine-grainedness being given. Machining shows that the chips broke at a chip length of about 1 to 6 mm.

Der Schwefel wurde in Form von überhitztem Schwefeldampf in den Sprühstrom von Metallteilchen eingeführt; im Zuge von weiteren Versuchen wurden Schwefelverbindungen in geregelter Konzentration in den Inertgasstrom zur Zerstäubeeinrichtung und somit in den Metallstrahl eingeführt.The sulfur was introduced into the spray stream of metal particles in the form of superheated sulfur vapor; In the course of further tests, sulfur compounds were introduced in a controlled concentration into the inert gas stream to the atomizing device and thus into the metal jet.

Vorgenommene Untersuchungen zeigten, daß der in den Metallteilchenstrahl eingedüste bzw. eingebrachte Schwefel bzw. dessen Verbindungen nur mit den Oberflächenbereichen der Teilchen reagiert bzw. reagieren und die Ausbildung eines gewünschten Gefüges fördert, die Zerspanbarkeit verbessert. Trotz der örtlich relativ hohen Schwefelkonzentrationen wird jedoch, da diese eben örtlich beschränkt sind, nur ein insgesamt geringer Schwefelverbrauch verursacht, welcher Schwefel die Gebrauchseigenschaften der Legierung nicht beeinträchtigt sondern insgesamt wesentlich verbessert.Investigations carried out showed that the sulfur injected or introduced into the metal particle beam or its compounds only reacts or reacts with the surface areas of the particles and promotes the formation of a desired structure and improves the machinability. Despite the locally relatively high sulfur concentrations, however, since these are locally restricted, only a low overall sulfur consumption is caused, which sulfur does not impair the usage properties of the alloy, but rather significantly improves it overall.

Claims (17)

Stahl bzw. Legierung, insbesondere Kunststofformenstahl, sowie daraus hergestellte Blöcke, Vorformstücke, Werkzeuge, Teile oder dgl., gegebenenfalls im wärmebehandelten bzw. vergüteten Zustand, insbesondere mit guten Gebrauchseigenschaften bei der Kunststoffverarbeitung, mit Eisen als Basiselement und zumindest Mangan, Kohlenstoff und Schwefel als Legierungszusätze, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenstände in ihrer Urform aus kompaktiertem Material bestehen, welches zumindest teilweise durch Sprühen bzw. Spritzen des flüssigen Metalles oder pulvermetallurgisch hergestellt ist und insbesondere zur Erreichung verbesserter Zerspanbarkeit des Werkstoffes einen Durchschnittsgehalt von in Gew.-% 0̸,0̸5 bis 0̸,3, vorzugsweise 0̸,0̸7 bis 0̸,2, insbesondere 0̸,0̸9 bis 0̸,14 Schwefel aufweist und daß das kompaktierte Material gegebenenfalls durch HIPen und/oder Warmumformen, zum Beispiel Walzen oder Schmieden und dgl., verdichtet und/oder verformt ist.Steel or alloy, in particular plastic mold steel, as well as blocks, preforms, tools, parts or the like produced therefrom, if appropriate in the heat-treated or tempered state, in particular with good usage properties in plastics processing, with iron as the base element and at least manganese, carbon and sulfur as Alloy additives, characterized in that the objects in their original form consist of compacted material which is at least partially produced by spraying or spraying the liquid metal or powder metallurgy and in particular to achieve an improved machinability of the material, an average content of in% by weight 0̸, 0̸5 to 0̸, 3, preferably 0̸, 0̸7 to 0̸, 2, in particular 0̸, 0̸9 to 0̸, 14 sulfur and that the compacted material optionally by HIPen and / or hot forming, for example rolling or forging and the like., compressed and / or is deformed. Stahl oder Gegenstände nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, insbesondere zur Verbesserung der Zerspanbarkeit im wärmebehandelten bzw. vergüteten Zustand sowie einer verbesserten Polierbarkeit bei gleichzeitig guter Schweißbarkeit, der in den Werkstoff eingebrachte Schwefel im Bereich der Oberflächen der gesprühten Teilchen, Tröpfchen oder Pulverkörner in Sulfidform angelagert und/oder durch Diffusion eingebracht und/oder zwischen den kompaktierten Teilchen bzw. Körnern eingelagert ist.Steel or objects according to claim 1, characterized in that, in particular to improve the machinability in the heat-treated or tempered state and to improve the polishability with good weldability, the sulfur introduced into the material in the area of the surfaces of the sprayed particles, droplets or powder grains Sulphide form attached and / or introduced by diffusion and / or is embedded between the compacted particles or grains. Stahl oder Gegenstände nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Konzentrationsgradient des Schwefels in den einzelnen Teilchen bzw. Körnern des kompaktieren Materials in Richtung zum Zentrum der Teilchen bzw. Körner abnimmt.Steel or objects according to claim 1 or 2, characterized in that the concentration gradient of the sulfur in the individual particles or grains of the compacted material decreases towards the center of the particles or grains. Stahl oder Gegenstände nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung weitgehend frei von Eisensulfid ist, dessen Gehalt maximal 0̸,1 Gew.-% beträgt.Steel or objects according to one of claims 1 to 3, characterized in that the alloy is largely free of iron sulfide, the content of which is a maximum of 0.1% by weight. Stahl oder Gegenstände nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwefel mit dem im Ausmaß von 0̸,5 bis 2,5 Gew.-%, vorzugsweise von 1 bis 2 Gew.-%, insbesondere von den Schwefelgehalt um den Faktor 10̸ übersteigend vorliegenden Mangan als Mangansulfid gebunden bzw. ausreagiert ist und die Konzentration der Sulfidpartikel in das Tröpfchen- bzw. Korninnere des daraus kompaktierten Materials abnehmend ist.Steel or articles according to one of claims 1 to 4, characterized in that the sulfur with the amount of 0̸, 5 to 2.5 wt .-%, preferably from 1 to 2 wt .-%, in particular of the sulfur content around Manganese present in excess of factor 10̸ is bound or fully reacted as manganese sulfide and the concentration of the sulfide particles in the droplet or grain interior of the material compacted therefrom is decreasing. Stahl oder Gegenstände nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der in weitgehend kugeliger oder gestreckter Form vorliegenden Sulfide höchstens 0̸,4, insbesondere höchstens 0̸,2 mal dem mittleren Tröpfchen- oder Pulverkorndurchmesser ist.Steel or objects according to one of claims 1 to 5, characterized in that the diameter of the sulfides present in largely spherical or elongated form is at most 0.4, in particular at most 0, 2 times the mean droplet or powder grain diameter. Stahl oder Gegenstände nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gefertigten Teile bie Temperaturen bis zu 575 Grad C eine Rockwellhärte von 39 bis 41 HRC besitzen.Steel or objects according to one of claims 1 to 6, characterized in that the manufactured parts have a Rockwell hardness of 39 to 41 HRC at temperatures up to 575 degrees C. Verfahren zur Herstellung von Stahl bzw. Legierung, insbesondere Kunststofformenstahl, sowie daraus gefertigte Blöcken, Vorformstücken, Werkzeugen, Teilen oder dgl., mit durch Wärmebehandeln bzw. Vergüten eingestellter Mikrostruktur, im gegebenenfalls ausreichend spanabhebend bearbeitbaren Zustand, insbesondere mit guten Gebrauchseigenschaften bei der Kunststoffverarbeitung, mit Eisen als Basiselement und zumindest Mangan, Kohlenstoff und Schwefel als Legierungszusätze, insbesondere zur Herstellung eines Stahles bzw. Gegenstandes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenstände in ihrer Urform aus kompaktietem Material gebildet werden, welches zumindest teilweise durch Sprühen bzw. Spritzen des flüssigen Metalles oder pulvermetallurgisch hergestellt wird, wobei insbesondere zur Erreichung verbesserter Zerspanbarkeit des Werkstoffes Schwefel mit einem Durchschnittsgehalt von in Gew.-% 0̸,0̸5 bis 0̸,3, vorzugsweise 0̸,0̸7 bis 0̸,2, insbesondere 0̸,0̸9 bis 0̸,14, zugegeben und reagieren gelassen wird und das kompaktierte Material, gegebenenfalls durch HIPen und/oder Warmumformen, zum Beispiel Walzen, Schmieden oder dgl., verdichtet und/oder verformt bzw. weiterverarbeitet wird.Process for the production of steel or alloy, in particular plastic mold steel, as well as blocks, preforms, tools, parts or the like made therefrom, with a microstructure set by heat treatment or tempering, in a state that can be sufficiently machined if necessary, in particular with good usage properties in plastics processing, with iron as the base element and at least manganese, carbon and sulfur as alloy additives, in particular for the production of a steel or object according to one of claims 1 to 6, characterized in that the Objects are formed in their original form from compact material, which is at least partially produced by spraying or spraying the liquid metal or powder metallurgy, in particular to achieve improved machinability of the material sulfur with an average content of in% by weight 0̸, 0̸5 to 0̸, 3, preferably 0̸, 0̸7 to 0̸, 2, in particular 0̸, 0̸9 to 0̸, 14, is added and allowed to react and the compacted material, if necessary by HIPing and / or hot forming, for example rolling, forging or the like, is compressed and / or deformed or further processed. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwefel dem flüssigen Stahl, aus welchem Tröpfchen oder Pulver gebildet werden, zulegiert wird.A method according to claim 8, characterized in that the sulfur is alloyed into the liquid steel from which droplets or powder are formed. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere zur Verbesserung der Zerspanbarkeit im wärmebehandelten bzw. vergüteten Zustand sowie einer verbesserten Polierbarkeit bei gleichzeitig guter Schweißbarkeit des Stahles, des Vorformstückes oder dgl. der Schwefel in den Bereich der Oberflächen der gesprühten Teilchen, Tröpfchen oder Pulverkörner angelagert und/oder durch Diffusion in diese eingebracht und/oder zwischen die zu kompaktierenden Teilchen eingelagert und in eine Metallsulfidform umgewandelt wird.A method according to claim 8, characterized in that in particular in order to improve the machinability in the heat-treated or tempered state and to improve the polishability with simultaneous good weldability of the steel, the preform or the like, the sulfur in the area of the surfaces of the sprayed particles, droplets or powder grains attached and / or introduced into it by diffusion and / or embedded between the particles to be compacted and converted into a metal sulfide form. Verfahren nach Anspruch 8 und 10̸, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwefel in Form von elementarem Schwefel und/oder von zumindest einer Schwefelverbindung in gasförmiger und/oder flüssiger und/oder fester Form in den Metalltröpfchenstrahl, der bei der Zerteilung des flüssigen Metalles gebildet wird, eingeleitet oder die Zerteilung damit durchgeführt wird.Process according to Claims 8 and 10̸, characterized in that the sulfur in the form of elemental sulfur and / or at least one sulfur compound in gaseous and / or liquid and / or solid form in the metal droplet jet which is formed when the liquid metal is broken up, initiated or the division is carried out with it. Verfahren nach Anspruch 8, 10̸ und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwefel und/oder die Schwefelverbindung(en) in einem Inertgasträgerstrom, zum Beispiel Stickstoff, in den Sprühstrahl des flüssigen Metalls eingebracht oder mit dem den Schwefel und/oder die Schwefelverbindung(en) enthaltenden Inertgasstrom der Sprühstrahl gebildet bzw. das flüssige Metall damit in Tröpfchen zerteilt wird.A method according to claim 8, 10̸ and 11, characterized in that the sulfur and / or the sulfur compound (s) in an inert gas carrier stream, for example nitrogen, in the spray jet of the liquid metal is introduced or the spray jet is formed with the inert gas stream containing the sulfur and / or the sulfur compound (s) or the liquid metal is thus broken up into droplets. Verfahren nach Anspruch 8, 10̸ und 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwefel und/oder die Schwefelverbindung(en) in den Sprühstrahl aus Metalltröpfchen in gleichmäßiger Verteilung eingebracht wird (werden)A method according to claim 8, 10̸ and 12, characterized in that the sulfur and / or the sulfur compound (s) is (are) introduced into the spray from metal droplets in a uniform distribution. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Schwefel und/oder Schwefelverbindungen und/oder die Zerspanbarkeit des insbesondere vergüteten Werkstoffes fördernde Zusätze in das Metall und/oder in den Metall-sprühstrom bzw. dem Bereich der Oberflächen der Tröpfchen oder Pulverkörner ein- bzw. angelagert wird (werden).Method according to one or more of claims 8 to 13, characterized in that sulfur and / or sulfur compounds and / or additives which promote the machinability of the in particular tempered material into the metal and / or into the metal spray stream or the area of the surfaces of the droplets or powder grains are stored. Vorrichtung zur Herstellung von Stahl bzw. Legierung, insbesondere Kunststofformenstahl, sowie daraus gefertigten Blöcken, Vorformstücken, Werkzeugen, Teilen oder dgl., mit durch Wärmebehandeln bzw. Vergüten eingestellter Mikrostruktur und im gegebenenfalls ausreichend spanabhebend bearbeiteten Zustand, insbesondere mit guten Gebrauchseigenschaften bei der Kunststoffverarbeitung, mit Eisen als Basiselement und zumindest Mangan, Kohlenstoff und Schwefel als Legierungszusätze, insbesondere zur Herstellung eines Stahles bzw. von Gegenständen nach den Ansprüchen 1 bis 7, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach den Ansprüchen 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine an sich bekannte Einrichtung (A) zum Spritzen bzw. Verdüsen des flüssigen Metalles bzw. der flüssigen Legierung (2) in eine Aufnahme bzw. Vorform (4) oder in ein Pulversammelgefäß für die Metallteilchen vorgesehen ist, wobei die Einrichtung (A) zur Einbringung in das flüssige Metall und/oder in den Teilchen-Strahl bzw.- Strom insbesondere im Bereich der Zerstäubeeinrichtung (6) und/oder in die Zuleitung des vorzugsweise inerten Sprühgases zur Zerstäubeeinrichtung (6) mindestens eine Bereitstellungs- und Mischvorrichtung (9, 91) für Schwefel und/oder zumindest eine Schwefelverbindung, z.B. Schwefelkohlenstoff und gegebenenfalls eine Zufuhreinheit (7) mit Einbringdüse(n) (8) aufweist.Device for the production of steel or alloy, in particular plastic mold steel, as well as blocks, preforms, tools, parts or the like made therefrom, with a microstructure set by heat treatment or tempering and, if appropriate, in a sufficiently machined state, in particular with good usage properties in plastics processing, with iron as the base element and at least manganese, carbon and sulfur as alloy additives, in particular for the production of a steel or objects according to claims 1 to 7, in particular for carrying out a method according to claims 8 to 14, characterized in that a known per se Device (A) for spraying or atomizing the liquid metal or the liquid alloy (2) into a receptacle or preform (4) or into a powder collecting vessel for the metal particles is provided, the device (A) being introduced into the liquid Metal and / or in the Particle jet or stream, in particular in the area of the atomizing device (6) and / or in the feed line of the preferably inert spray gas Atomizing device (6) has at least one preparation and mixing device (9, 91) for sulfur and / or at least one sulfur compound, for example carbon disulfide and optionally a feed unit (7) with a feed nozzle (s) (8). Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufuhreinheit (7) eine Speichereinheit (9) für Schwefel und/oder zumindest eine Schwefelverbindung (10̸) vorgeordnet ist, in der Schwefel bzw. zumindest eine Schwefelverbindung mit einer Heizeinheit (11) und/oder einer Pulverisiereinheit in flüssiger und/oder gasförmiger Form gehalten ist bzw. sind und/oder in Feinstpulverform aufbereitet vorliegen.Apparatus according to claim 15, characterized in that the supply unit (7) is preceded by a storage unit (9) for sulfur and / or at least one sulfur compound (10̸), in which sulfur or at least one sulfur compound with a heating unit (11) and / or a pulverizing unit is or are kept in liquid and / or gaseous form and / or are present in the finest powder form. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß zum Transport des Schwefels und/oder der Schwefelverbindung(en) (10̸) zu der (den) Einbringdüse(n) (8) der Zufuhreinheit (7) und/oder in die Zuleitung des Sprühgases zur Zerstäubeeinheit (16) eine in die Zufuhreinheit (7) und/oder Zuleitung mündende Inertgasfördereinheit (12, 121) vorgesehen ist.Apparatus according to claim 15 or 16, characterized in that for transporting the sulfur and / or the sulfur compound (s) (10̸) to the feed nozzle (s) (8) of the feed unit (7) and / or into the feed line of the Spray gas to the atomizing unit (16) an inert gas delivery unit (12, 121) opening into the supply unit (7) and / or supply line is provided.
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