Verfahren und Vorrichtung zum Zerstäuben von Metallschmelzen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Zerstäuben von Metallschmelzen, bei welchem das flüssige Metallbad aus einem Tundish über eine Auslaßöffnung mit Gas in einen Kühlraum oder unter Kompaktieren der zerkleinerten Teilchen auf eine zu beschichtende Fläche mit Treibgas versprüht wird sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Zur Erzielung von dichten Beschichtungen aus Metallen wurde bereits vorgeschlagen, derartige Metalle aus einem Schmelzbad mittels Treibgasen auf eine zu beschichtende Fläche bzw. ein Target auszustoßen, wobei die noch schmelzflüssigen Tröpfchen beim Auftreffen auf die zu beschichtende Fläche oder das Target (Substrat) erstarren und auf diese Weise eine entsprechende Verdichtung bzw. Kompaktierung der Beschichtung erzielt wird. Beim Zerstäuben von schmelzflüssigen Metallen mit Treibgasen wird in der Regel ein inerter Treibgasstrahl mit Umgebungstemperatur eingesetzt, wobei die bekannten Verfahren durchwegs einen re- lativ hohen Treibgasbedarf und in der Regel auch einen relativ hohen Treibgasdruck voraussetzen. Für die Zerstäubung und das Kompaktieren von derartigen zerstäubten Metallpartikeln sind eine Reihe von Düsengeometrien vorgeschlagen worden. Die Wirtschaftlichkeit derartiger Verfahren war aber regelmäßig durch die erforderliche Treibgasmenge und den erforderlichen Treibgasdruck wesentlich bestimmt.
Die Erfindung zielt nun darauf ab ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem es gelingt flüssige Me- talle unter wesentlicher Verringerung der erforderlichen Treibgasmenge effizient und mit wesentlich kleiner bauenden Einrichtungen zu zerstäuben, wobei gleichzeitig eine wesentlich feinere Zerstäubung erzielt werden soll und die Möglichkeit geboten werden soll, in die zerstäubte Metallschmelze auch weitere Ko - ponenten einzubauen. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht das erfindungsgemäße Verfahren im wesentlichen darin, daß die flüssige Metallschmelze über einen Ringspalt in die Auslaßöffnung ein-
gebracht wird, in welche konzentrisch zur Öffnung Heißgas mit Temperaturen von 250° C bis 1300° C und einem überkritischen Druck zwischen 2 und 30 bar über eine Lavalduse ausgestoßen wird, und daß das Heißgas mit einer radialen, nach außen gerich- teten Komponente oder mit einem Drall mit die Schallgeschwindigkeit übersteigender Geschwindigkeit mit dem Schmelzbad in Kontakt gebracht wird. Dadurch, daß abweichend von den bekannten Verfahren Heißgase bei Temperaturen von 250° C bis 1300° C und einem überkritischen Druck zwischen 2 und 30 bar zum Einsatz gelangt, wird die Viskosität des Treibgases wesentlich gegenüber bekannten Verfahren erhöht, wodurch Scherkräfte effizienter zur Wirkung gelangen und eine feinere Zerteilung der Metallschmelze in besonders kleine Teilchen mit einem Durchmesser dso von unter 10 μm erzielt werden. Gleichzeitig gelingt es den Treibgasver- brauch gegenüber der Verwendung von Treibgasen mit den üblichen niederen Temperaturen auf 1/3 bis auf 1/5 zu reduzieren, wodurch sich wesentliche Vorteile im Bezug auf die Wirtschaftlichkeit bei der MetallZerstäubung ergeben. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß aufgrund der geringeren Temperaturdifferenz die Metallschmelze nicht im Schmelzenauslauf einfriert. Dadurch, daß die flüssige Schmelze über einen Ringspalt in die Auslaßöffnung eingebracht wird, wird die Möglichkeit geschaffen durch entsprechende Verstellung dieses Ringspaltes den Zustrom der flüssigen Schmelze, und damit die in der Zeiteinheit durchgesetzte Menge, in einfacher Weise zu beeinflussen und dadurch, daß das Treibgas nun konzentrisch zur Auslaßöffnung eingebracht wird, wird die Möglichkeit geschaffen denjenigen Bauteil, welcher den Ringspalt bestimmt, als zweites konzentrisches Rohr, als Saugrohr für das Ansaugen von weiteren Stoffen heranzuziehen. Dadurch, daß das Heißgas mit einer radialen, nach außen gerichteten Komponente oder mit einem Drall mit die Schallgeschwindigkeit übersteigender Geschwindigkeit mit dem Schmelzbad in Kontakt gebracht wird, was insbesondere dadurch gelingt, daß der Ausstoß unter einem überkritischen Druck über eine Lavalduse erfolgt, gelingt es bei geringer Treibgasmenge hohe Scherkräfte zu übertragen, wobei durch die rasche Abbremsung des aufgrund der höheren Temperaturen höher viskosen Treibgasstrahles beim
Auftreffen auf die Metallschmelze eine besonders effiziente und rasche Zerteilung bewirkt wird. Dadurch, daß das Heißgas im Inneren des Schmelzemantels ausgestoßen und mit einer radial nach außen gerichteten Komponente mit dem Schmelzbad in Kontakt gebracht wird, wird ein Hindurchtreten von Gas durch den Schmelzemantel und damit ein Aufreißen des Schmelzemantels erzwungen. Ein ganz wesentlicher Vorteil ist hierbei die Ausbildung von Monokorn-Pulver, dessen Entstehung durch das radiale Aufreißen des hohlzylindrischen Schmelzemantels begünstigt wird. Beim radialen Aufreißen des Schmelzemantels kommt es dabei zu einer gleichmäßigen Ligamentbildung in radialer Richtung und in der weiteren Folge zu einer überaus gleichmäßigen Tröpfchenbildung. Das Monokorn-Pulver eignet sich hervorragend für den Einsatz in der Pulvermetallurgie.
Die StrömungsVerhältnisse des über die Lavalduse ausströmenden Heißgases können auch derart eingestellt werden, daß ein unterexpandierter Treibstrahl entsteht. Dadurch kommt es in der Folge zu Druckstößen im Bereich der Mach 'sehen Knoten, wobei zwischen derartigen Mach' sehen Knoten Expansionsvolumina liegen. Durch Schwingungsinterferenzen im Strahl werden Scherbeanspruchungen in die Schmelzetröpfchen eingeleitet, wobei die Frequenz bei zunehmend überkritischen Bedingungen entsprechend erhöht wird, wodurch sich der Abstand der Mach' sehen Knoten in Achsrichtung des Treibgasstrahles entsprechend verringert. Der Umstand, daß ein unterexpandierter Strahl ausgestoßen wird, führt zu einer unmittelbaren Expansion nach dem Austritt aus der Düse. Der Abstand zu einer zu beschichtenden Fläche kann bei einer derartigen Ausbildung überaus kurz gewählt werden, sodaß mit klein- bauenden Einrichtungen das Auslangen gefunden wird. Mit Vorteil wird das Heißgas hierbei über einen Leitkörper ausgestoßen, sodaß durch geeignete Verstellung des Leitkörpers der wirksame Austrittsquerschnitt der Lavalduse an die jeweiligen Erfordernisse angepaßt werden kann. Die Verwendung eines Leitkörpers dient auch dazu, dem ausströmenden Heißgas eine entsprechende zusätzliche, radial nach außen gerichtete Strömungskomponente und/oder einen Drall zu erteilen.
Mit Vorteil wird das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt, daß eine Lanze mit der Lavalduse für das Heißgas konzentrisch in einem Rohr unter Ausbildung eines Ringraumes geführt ist und daß über den Ringraum reaktive Gase, wie z.B. CO, H2, 02 oder H2O- Da pf, und/oder Inertgase, wie z.B. N2 oder Ar, und/oder Carbide, wie z. B. WC, TiC oder VC, angesaugt werden. Das die Lanze mit der Lavalduse umgebende Rohr definiert mit seiner Unterkante den geforderten Ringspalt für den Zutritt der flüssigen Metall- schmelze, und es wird gleichzeitig zwischen der Lanze und dem Rohr ein Ringraum für die Ansaugung von reaktiven Gasen und/oder Inertgasen ausgebildet. Eine derartige Ausbildung ermöglicht eine bevorzugte Verfahrensführung, bei welcher in den angesaugten Gasstrom Metallpulver oder Zusätze wie z.B. SiC, AI2O3 oder Y2O3 und/oder Carbide aufgegeben werden, wodurch mit einer besonders einfachen kontruktiven Ausbildung der Vorrichtung ein hohes Maß an Einstellbarkeit des Zerstäubungsverfahrens an unterschiedliche Bedürfnissen sichergestellt wird.
Die Strahlungswärme der mit dem heißen Treibgas ausgestoßenen Metallschmelze, welche beim Ausstoß wirkungsvoll zerstäubt wird, kann zur Erwärmung des Heißgases herangezogen werden, wofür vorzugsweise so vorgegangen wird, daß das Heißgas in einem die ausgestoßenen Schmelzpartikel umgebenden Wärmetauscher erhitzt wird.
Aufgrund der Verwendung von Heißgas werden, wie eingangs bereits ausgeführt, besonders kleine Teilchen gebildet, und es bildet sich neben einer abwärts gerichteten Strömung im Kühlräum eine vortexartige auswärts gerichtete Strömung von Feinstteilchen aus. Diese Feinstteilchen werden neuerlich in den abwärts gerichteten Strom der zerstäubten Schmelze angesaugt und dienen dort teilweise der raschen Abkühlung der zerstäubten Schmelze. Um nun den Anteil der Feinstteilchen, welche zur Kühlung wirksam sind, aber einer effizienten Zerkleinerung der Teilchen teilweise entgegenstehen zu verringern, und insbesondere um sicherzustellen, daß derartige Feinstteilchen nicht im Bereich der
Auslaßöffnung bzw. Mündung des Tundish zu Anwachsungen führt, wird mit Vorteil so vorgegangen, daß im Kühlraum aufsteigende Feinstpartikel der erstarrten Schmelze unterhalb der Mündung des Schmelzstromes abgesaugt und über eine Schleuse ausgetragen wer- den. Durch die Möglichkeit über den Ringraum zusätzliche feste Stoffe, wie beispielsweise Siliziumcarbid, AI2O3 oder Y2O3, als feines Pulver anzusaugen, lassen sich auch Metal-Matrix-Com- pound-Werkstoffe sowie Keramik-Metall-Verbundwerkstoffe, und damit besonders verschleißfeste Beschichtungen erzielen. Im Ver- gleich zu komplex aufgebauten diskreten Sprühdüsen kann mit einer einzigen Lavalduse mit nachgeschaltetem Leitkörper, über welchen lediglich das heiße Treibgas ausgestoßen wird, bei wesentlich geringerem Treibstoffbedarf all diesen Aufgabenstellungen Rechnung getragen werden, wofür im einzelnen ledig- lieh eine entsprechende Verstellbarkeit des Rohres zur Einstellung des Ringspaltes und eine entsprechende Wahl der angesaugten Gase erforderlich ist. Zusätzlich kann durch eine entsprechende axiale Verstellbarkeit der Heißgasdüse oder des Leitkörpers bzw. durch einen entsprechenden Austausch des Leit- körpers die gewünschte Strahlgeometrie in einfacher Weise beeinflußt werden und an die gewählten Stoffe angepaßt werden. Insgesamt gelingt mit der erfindungsgemäßen Verfahrensführung eine effiziente Zerstäubung aller möglichen Metallschmelzen, wobei auch eine Zerstäubung von Legierungen und insbesondere Ferrolegierungen wie beispielsweise FeV, FeCr, FeW, FeTi oder FeMo gelingt.
Gemäß einer bevorzugten Verfahrensführung kann im Tundish ein Druck von 1,5 bis 25 bar aufrechterhalten werden, wobei bevorzugt im Kühlraum ein Druck von 1,5 bis 10 bar aufrechterhalten wird. Durch Einhaltung dieser Druckwerte kann eine druckgasgesättigte Schmelze erzielt werden, wobei als Druckgas beispielsweise Argon zum Einsatz gelangen kann. Die druckgasgesättigte Schmelze führt zu einer leichteren Desintegration, sodaß insgesamt eine feinere Zerstäubung möglich ist. Die Gaseinbringung kann mittels Tundish-Bodendüsen oder über eine eintauchende Lanze vorgenommen werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens weist einen Schmelzentundish und ein in die Schmelze unter Ausbildung eines die Austrittsöffnung für die Schmelze um- gebenden Ringspaltes eintauchendes Tauchrohr auf, wobei weiters eine Lanze für den Ausstoß von Treibgas vorgesehen ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist hiebei im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die höhenverstellbare Lanze eine Lavalduse trägt, wobei bevorzugt im oder in Strömungsrichtung anschließend an den sich erweiternden Mündungsbereich der Lavalduse ein Leitkörper höhenverstellbar angeordnet ist, wobei der lichte Quer- ' schnitt zwischen der Düse und dem Leitkörper in axialer Richtung zum Austrittsende zunehmend und größer als der engste Querschnitt der Lavalduse ausgebildet ist. Der im oder in Strö- mungsrichtung anschließend an den sich erweiternden Mündungsbereich der Lavalduse vorgesehene Leitkörper kann durch seine Höhenverstellbarkeit entsprechend zur Minimierung des Treibgasverbrauches verstellt werden, wobei zur Erzielung der gewünschten Überschallgeschwindigkeit lediglich dafür Sorge getragen werden muß, daß der lichte Querschnitt zwischen der Innenwand der Lavalduse und dem Leitkörper in axialer Richtung zum Austrittsende immer größer als der engste Querschnitt der Lavalduse und in Achsrichtung zunehmend ausgebildet ist. Die Anordnung eines Leitkörpers ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, und es hat sich gezeigt, daß auch ohne Leitkörper eine effiziente Zerstäubung gelingt, wobei besonders gute Ergebnisse erreicht wurden, wenn, wie es einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung entspricht, die Lanze unterhalb der Unterkante des Tauchrohres in der Austrittsöffnung des Tundish mündet. Die Lanze ist zu diesem Zweck höhenverstellbar angeordnet .
Zur Erzielung eines entsprechenden Ringraumes zur Ansaugung von zusätzlichen Komponenten ist die Ausbildung mit Vorteil so ge- troffen, daß der Außendurchmesser der Lanze kleiner als der lichte Durchmesser des Tauchrohres ausgebildet ist und die Lanze dichtend durch einen Deckel des Tauchrohres geführt ist und daß
an den die Lanze umgebenden Raum des Tauchrohres eine Leitung für die Zufuhr von Gasen oder/oder reaktivem Metallpulver und/oder Zusätzen mündet. In der Leitung für die Zufuhr von Gasen und/oder reaktivem Metallpulver kann hiebei ein einstellbares Drosselventil vorgesehen sein, sodaß gegebenenfalls der Raum zwischen Lanze und dem Tauchrohr unter einem entsprechenden Unterdruck gehalten werden kann, wodurch zusätzlich auch pulsierende Strömungen erzielt werden können. Das Ventil kann aber auch vollständig geschlossen bleiben.
Mit Vorteil ist der Leitkörper als Kegel mit am Mantel angeordneten Leitflächen ausgebildet. Eine ausgeprägte radiale Komponente läßt sich mit einem derartigen Leitkörper dann erzielen, wenn, wie es einer bevorzugten Ausbildung entspricht, die Leitflächen S-förmig gekrümmt verlaufen und in Umfangsriehtung mit jeweils gleichem Winkel an die Tangente des Grundkreises des kegelförmigen Körpers gerichtet enden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles einer für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vorrichtung näher erläutert.
In Fig. 1 ist mit 1 ein im Querschnitt dargestellter Schmelzen- tundish bezeichnet, in welchem ein Metallbad 2 schmelzflüssig gehalten ist. Um dieses Metallbad schmelzflüssig zu halten, kann eine induktive Heizung, wie sie schematisch durch die Wicklungen 3 angedeutet ist, vorgesehen sein.
In das Metallbad taucht ein Rohr 4 ein, welches zwischen dem Boden des Tundish 1 und der Unterkante des Rohres einen Ringspalt begrenzt. Dieses Rohr 4 ist in Richtung des Doppelpfeiles 5 in Höhenrichtung verstellbar, sodaß die jeweils in der Zeiteinheit aus dem Tundish 1 abfließende Metallbadmenge in ein- facher Weise reguliert werden kann.
Das Rohr 4 ist mit einem Deckel 6 verschlossen, in welchem dichtend eine Lanze 7 in Richtung des Doppelpfeiles 8 in Höhenrichtung verstellbar geführt ist. Die Lanze 7 weist an ihrem Austrittsende für Heißgas eine Lavalduse 9 auf. Wenn Heißgas unter überkritischen Bedingungen zugeführt wird, ergibt sich aufgrund dieser Ausbildung als Lavalduse im engsten Querschnitt der Lavalduse 9 exakt Schallgeschwindigkeit, wobei in dem nachfolgenden sich verbreiternden Querschnitt aufgrund der raschen Expansion Überschallgeschwindigkeit erreicht wird. In diesem sich erweiterenden Bereich ist nun ein Leitkörper 10 angeordnet, welcher über ein entsprechendes Gestänge 11 in Richtung des Doppelpfeiles 12, gleichfalls in axialer Richtung, verstellbar ist. Durch entsprechende Justierung des Leitkörpers kann somit die Strahlform beeinflußt werden, wobei lediglich sichergestellt werden muß, daß sich der jeweils wirksame Querschnitt im Anschluß an die engste Stelle der Lavalduse 9 in axialer Richtung entsprechend erweitert, sodaß durch die rasche Expansion Überschallgeschwindigkeit erzielt wird.
Der Treibgasstrahl aus der Lanze 7 gelangt nun in einen nachfolgenden Kühlraum 13, in welchem beispielsweise ein Target 14 angeordnet sein kann. Der Treibgasstrahl kollidiert mit Überschallgeschwindigkeit und entsprechender Viskosität aufgrund seiner hohen Temperatur mit dem ausströmenden Metallbad, sodaß eine rasche und effiziente Zerkleinerung erfolgt, welche als Beschichtung auf das Target 14 aufgetragen werden kann. Sofern ein derartiges Target 14 nicht eingebaut ist, kann das entsprechend zerkleinerte Metallpulver über eine Schleuse 15 am unteren Ende der Kühlkammer 13 abgezogen werden. Die Strahlungswärme der er- starrenden Metalltröpfchen kann in einem die Kühlkammer umgebenden Wärmetauscher 16 genutzt werden, welchem Kaltgas über eine Leitung 17 zugeführt und aus welchem Heißgas über eine Leitung 18 abgezogen wird. Sofern die auf diese Weise erzielte Temperatur für die gewünschten Zwecke ausreicht, kann dieses Heißgas über die Leitung 18 unmittelbar der Lanze 7 zugeführt werden. Eine weitere Erhitzung kann über konventionelle, in der Zeich-
nung nicht dargestellte Rekuperativwärmetauseher, erzielt werden.
Im Inneren der Kühlkammer 13 ist weiters eine Ringleitung 19 ersichtlich, über welche Feinstpartikel abgesaugt werden können. Diese feinsten Partikel können über die Leitung 20 einem Sichter 21 zugeführt werden und über eine Schleuse 22 als Feinstpulver ausgetragen werden. Die ausgetragene Menge an Feinstpulver gelangt somit nicht mehr in die abwärts gerichtete Strömung und hat somit auch keinen Einfluß auf das Erstarrungsverhalten der durch den Treibgasstrahl zerkleinerten Tröpfchen.
Die Lanze 7 ist nun unter Freilassen eines Ringraumes 23 in Abstand von der Innenwand des Rohres 4 geführt. In diesen Ringraum kann über eine Leitung 24 zusätzliches Material angesaugt werden, wobei hier in erster Linie reaktive Gase, wie CO, H2 , N2, 02 oder im Falle, daß eine teilweise Oxidation der Metallpartikel erwünscht wird, auch H2θ-Dampf angesaugt werden. Die jeweils angesaugte Menge kann durch ein einstellbares Drossel- ventil 25 festgelegt werden. In diese Leitung kann auch aus einem Vorratsbehälter 26 eine Reihe von pulverförmigen und mit einem Gasstrom fließfähigen Materialien als Dotierung angesaugt werden. Als dispergierbare Feststoffe können hiebei in erster Linie Metallpulver, Sie, AI2O3 oder auch Y2O3 angesaugt werden und über die Leitung 24 in den Ringraum 23 eingetragen werden, aus welchem sie über den Heißgasstrom angesaugt und in raschen und intensiven Kontakt mit der Metallschmelze gebracht werden.
In Fig. 2 ist eine abgewandelte Ausbildung der Treibgaslanze dargestellt, bei welcher die Lanze 7 unterhalb der Unterkante des Tauchrohres 4 in der Austrittsöffnung des Tundish 1 mündet. Die Lanze weist eine Lavalduse 9 auf, wobei auf die Anordnung eines Leitkörpers verzichtet werden kann. Versuche haben gezeigt, daß die Zerstäubungsergebnisse umso besser sind, je tiefer die Treibgasdüse in den Schmelzauslauf geschoben wird.
Als Treibgase kommen in erster Linie Inertgase, wie beispielsweise Stickstoff, Argon und Helium, in Betracht, wobei je nach Aufgabenstellung auch reaktive Gase, wie CO, H2, gegebenenfalls vermengt mit Wasserdampf, zum Einsatz gelangen können, wenn eine oxidative Zerstäubung gewünscht wird.
Als Metallschmelzen können AI-, Cu-, Fe-, Ni-, Co-, Ti-, Mg- oder Schmelzen von seltenen Erdmetallen bzw. deren Legierungen, insbesondere Co-basierte Superlegierungen eingesetzt werden. Die erhaltenen Pulver eignen sich besonders für den Einsatz in der Sinter- oder Pulvermetallurgie, beispielsweise für heiß-isostatisches Pressen, aber auch als Einsatzmaterial für MIM-Prozesse (Metall-Injecting-Moulding) .