EP1900421A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Hartmetall- oder Cermetpulvermischung - Google Patents

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EP1900421A1
EP1900421A1 EP07017710A EP07017710A EP1900421A1 EP 1900421 A1 EP1900421 A1 EP 1900421A1 EP 07017710 A EP07017710 A EP 07017710A EP 07017710 A EP07017710 A EP 07017710A EP 1900421 A1 EP1900421 A1 EP 1900421A1
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EP
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suspension
mixture
dispersing
rotor
hard metal
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EP07017710A
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Artur Wiegand
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a hard metal or cermet mixture, which is intended for the powder metallurgy further processing to carbide and cermet moldings and for thermal coatings.
  • the invention relates to the sub-step of producing a suspension of homogeneous distribution from the mixture components, and to an apparatus for the preparation of a powder mixture via the intermediate stage of a powder suspension.
  • Hard metal alloys also called hard metals, consist of metallic hard materials and a binder metal phase. Carbonitride based alloys are called cermets. The hard materials essentially include the carbides, nitrides and carbonitrides of the IVa, Va and Vla elements of the Periodic Table of the Elements. Occasionally, some borides and silicides of these elements are added.
  • Ti-based hard compounds Ti-based hard compounds without being complete: TiCN, TiBN, TiBON, TiBCN, TiAlN, TiAlCN, TiCON, TiZrN and TiZrCN.
  • the connecting matrix between the hard material crystallites are the elements of the iron group of the PSE, iron, nickel and cobalt or alloys based thereon; they are also called binding metals.
  • the hard material particles are present next to the binder metal and are interconnected by this. In this context, one speaks of a "particle composite material".
  • Carbides are today used in a variety of different alloys. The most important influencing factors for the alloy structure are composition and structure. Thus, the WC is used in a structure-determining manner in grain sizes of 0.2 ⁇ m up to approx. 50 ⁇ m (FSSS [Fisher Sub Sieve Sizer]), the Co contents range between 0.2% and 30%; cubic carbides form an additional phase.
  • FSSS Fisher Sub Sieve Sizer
  • the alloy components of hard metals are among the refractory metals and compounds, although they are sometimes not absolutely high temperature resistant, which is why their production can only be done by powder metallurgy.
  • the powdery starting materials are homogenized in grinding and homogenizing without exception using grinding aids for oxidation protection, further processed in drying and granulation to free-flowing powders, formed by pressing and cutting process to geometric bodies and sintered after reaching the highest possible final contour and thus consolidated in their properties.
  • grinding aids for oxidation protection for the production of hard metals
  • free-flowing powders formed by pressing and cutting process to geometric bodies and sintered after reaching the highest possible final contour and thus consolidated in their properties.
  • the homogenization of the powdered feedstocks because only when the hard material particles are sufficiently and uniformly surrounded by the binder metal phase can the cohesion in the structure and the purposive property of the cemented carbide be achieved during sintering.
  • the hard and binder metal powders are not present as single grains or single crystallites. Due to the after-effects of production, transport, pressure and static charge by means of friction, agglomerates have developed that are more or less resistant. The smaller the powder grain size, the more pronounced the agglomeration. In compounding, these agglomerates must be broken up and diced to obtain their homogeneous distribution. In general, deagglomeration is effected by grinding.
  • the duration of the grinding treatment is designed: Fine powders must be ground for a long and coarse shorter time.
  • Suitable grinding aids are water, low-boiling hydrocarbons (ethanol, acetone, heptane) and others. The selection depends on the drying process and the pressing aids used.
  • the homogeneity of the mixture or of the compact also has effects on the further process steps and the properties.
  • Such bodies uniformly disappear during sintering without warping and the strength properties are not subject to variations.
  • Attritor The wet grinding takes place in attritors and other grinding media mills;
  • the Attritor is often given preference due to its shorter grinding time and thus increased cost-effectiveness.
  • the previously widely used ball mills have now been displaced by vibration or vibration mills. Attritormahlung has proven particularly effective (see also " W. Schedler: Carbide for the Praktiker, VDI-Verlag 1988 “ and “ H. Kolaska: Pulvermetallurgier of hard metals, suvermetallurgie, 1992 ").
  • the high energy requirement required for this process step leads to very long grinding times of many hours to several days given the low power density of these machines.
  • the high energy requirement also results from the working principle, according to which the movement of grinding media and grinding stock is produced by rotation of the grinding container, but acceleration and speed of the grinding media remain comparatively small.
  • the grinding intensity is well controlled by ball or StiftmahlSystem different sizes.
  • the constant loosening effect by the movement of the entire system is about 30 ... 45%.
  • the power density could be increased, wherein the relative movement of the grinding media in their bed, which is the starting point for the achievable crushing of the ground material is excited by a swinging movement of the surrounding grinding container.
  • the stress mechanisms impact and impact on the one hand and friction on the other hand are important.
  • the high kinetic energy with the inevitably increasing number of points of contact between the balls made the process more effective.
  • the cause is also the circular oscillating movement of the entire system with similar throwing movements.
  • the filling is kept loose, but again only has a relatively broad particle size distribution result.
  • only part of the energy supplied is used. The greater part is released by non-elastic deformation of the particles, by friction and by wear in heat.
  • the filling level is about 50 ... 65%.
  • the agitating ball mills also use the comminution intensity between the contact surfaces of moving balls.
  • Both grinding media and grinding stock are set in motion horizontally by a stirring arm (whorl) projecting into the ball filling.
  • a vertical movement of the suspension takes place by means of a pumping system.
  • the balls are even smaller and thus the number of their points of contact even larger, so that the crushing power increases significantly.
  • the agitator generates a high acceleration at high speed, which acts on all balls simultaneously and in the same direction.
  • the comminution of the carbide takes place less by breakage, but rather by abrasion or chipping fine edge particles.
  • the crushing work is more intense and the grinding time decreases. With decreasing particle size increases their strength and thus the required crushing energy.
  • the cohesive forces acting on the small particle sizes increase, so that the use of high energy input mills, as embodied by the attritors, is required for this wet grinding process, especially in the case of fine and very fine grain hard metals.
  • the power density of these attritors increases in comparison with ball and vibration mill in this order and reaches maximum values.
  • the filling level is approx. 80 ... 85%.
  • the comminution of the ground material is due to the relative speed of the grinding media.
  • the energy that can be supplied per refill passage is approx. 100 kWh / t or 5 times the passage corresponding to approx. 500 kWh / t.
  • a multiple passage of the ground material is required to obtain a comparable mixture quality.
  • a disadvantage is the dry execution of the mixing process. For uniform distribution of the pressing aid temperatures up to 300 ° C are required. At these powder temperatures, there is an increased risk of oxidation, which must therefore be counteracted with excessive C additions. On the other hand, there is the risk of local C enrichments, which leads to WC growth in the sintering process, a structural defect.
  • Another disadvantage is that the regrind has to be cooled down again after the end of the process. The waxy powder particles agglomerate again. The resulting agglomerates with a broad particle size range are not free-flowing in the same way as those produced by spray granulation, so that they are unsuitable for automatic shaping.
  • the shear forces applied by the intensive stirrer are not optimal because of the large shear gap.
  • the dry process execution leads to very high wear rates on the grinders, especially those of the intensive agitator.
  • the oxidation of the ground material should be prevented by the application of inert gas for the entire system. This requires a complex, because gas-tight plant engineering.
  • the object of the invention is to provide a method and an apparatus for producing hard metal and cermet powder mixtures for powder metallurgy in order to avoid the disadvantages in the prior art and in particular for the process step of producing a homogeneous suspension of the starting powder in a meal and dispersing liquid to achieve higher efficiency and mixing quality.
  • the powders of the hard and binder metal components are therefore provided in a suitable particle size for the subsequent mixture, and it will all mixing ingredients, if necessary including additives, such as pressing aids, including a dispersing liquid without free-moving grinding media in the dispersing, ie without For example, steel balls would be added, homogenized.
  • additives such as pressing aids, including a dispersing liquid without free-moving grinding media in the dispersing, ie without For example, steel balls would be added, homogenized.
  • the term "dispersing fluid” is synonymous with the term “grinding aid" generally used in this field of work.
  • the dispersing liquid is recovered from the homogeneous suspension obtained after the homogenization step by methods known per se, e.g. with the help of spray dryers, tumble dryers or vacuum dryers, removed to give a suitable for powder metallurgy processing powdery solid mixture, from which a variety of hard metal products, such as fittings or sintered granules can be produced.
  • the effect according to the invention of efficient homogenization of the use powders in suspension is based on the effect of the shearing work that can be realized between rotor and stator for breaking up and dividing the hard material and binder metal powder agglomerates. Since there are sudden pressure changes, friction, forced passage, impact and impact on the same side, the powder agglomerates are effectively torn apart, essentially without any additional unwanted comminution, which is unavoidable in the presence of grinding media. The broken powder aggregates are penetrated by the dispersing liquid and wetted, so that no reagglomeration can take place. A time-effective suspension production is the result.
  • the dispersing device according to the invention operates in the narrow grinding gap without freely movable grinding media, no mechanical comminution takes place here as in the grinding media mill.
  • the grinding or dispersing liquid With its surface wetting and agglomerate penetration the desired homogeneous distribution; she stabilizes her.
  • this process is not to be described as grinding or comminution process, but as a dispersion process for producing a homogeneous suspension of individualized powder particles.
  • the process can be carried out so that a suspension is prepared before the homogenization of the mixture constituents and the dispersion liquid and the dispersing feeds this suspension.
  • the powders to be mixed can be suspended individually and these suspensions can be combined, or a mixture of the powder constituents can be slurried or suspended as a whole.
  • the suspension to be homogenized preferably passes through the dispersing device several times. In a further embodiment of the invention, this is done batchwise with a fixed number of passes. For this purpose, the suspension is continuously recycled from the outlet to the inlet of the dispersing device. Alternatively, the process may be conducted continuously with a reflux from the outlet to the inlet of the disperser. The finished suspension can then be removed after a start-up phase, ie after reaching a steady state.
  • the suspension may also be mixed with an additive that stabilizes the dispersion (emulsifier, thixotropic agent, dispersant).
  • the dispersing liquid used is preferably water, ethanol, heptane, hexane, benzene, benzene, tetralin, acetone or chlorinated hydrocarbon, individually or in admixture.
  • a pressing aid is added to the suspension, preferably a paraffin, wax, cellulose ether.
  • the hard metal or cermet mixture produced by the process according to the invention is prepared directly for further processing. It is produced in one step, a sprayable, press assistant-containing suspension.
  • the temperature of the suspension can be controlled during the treatment by cooling and control of the volume flow to preferably below 50 ° C. Due to the shear forces, the pressing aid is mainly applied by mechanical means to the powder particles and finely distributed.
  • the dispersing liquid is removed by drying, preferably by spray drying or in eddy current.
  • the dispersing liquid could also be centrifuged off or filtered off.
  • the working volume between the rotor and the stator, in which the suspension is located during the homogenization step is a gap volume.
  • the peripheral speed of the rotor can be during homogenization of the suspension z. B. from 15 to 60 m / min.
  • the quality of the suspension depends on the peripheral speed of the rotor, the radial distance between rotor and stator (grinding gap) and the size of their grinding-active surface.
  • the duration of the homogenization should be 5 to 120 minutes, preferably 20 to 40 minutes.
  • the time required for the homogenization is thus much lower according to the method of the invention than in conventional methods.
  • the mixture components unsintered carbide return material is supplied, preferably in processed form, in particular pre-shredded to about Mahlspalteinlaufbreite.
  • the mixture is processed further directly after removal of the dispersing liquid. This is done in a conventional manner by post-plasticizing, molding, sintering and / or hip. When End products are obtained by pressing the mixture into shaped pieces and sintering them tools, tool inserts and components. From the mixture according to the invention also sintered granules for the thermal powder coating are produced.
  • means for maintaining (stabilizing) the suspension may be present in the feed tank, preferably at least one agitator.
  • the suspension can be vortexed, for example.
  • the dispersing device After the suspension has reached the required or desired homogeneity in the dispersing device, it is immediately fed to a device for removing the dispersing liquid, preferably a spray dryer.
  • a device for removing the dispersing liquid preferably a spray dryer.
  • the dispersing device is connected downstream of the drying device.
  • the dispersing device operates on the rotor-stator principle and basically consists of the actual rotor-stator unit, which is generally arranged in a housing with inlet and outlet. Several dispersing devices may be connected in series or in parallel. Through the inlet, or the supply line are the Working volume of the rotor-stator unit dispersing liquid and powdered components, preferably in pre-mixed or predispersed form supplied. As a result of the effluent or also the outlet, homogenized powder suspension is taken off, batchwise or continuously as described above.
  • the suspension of high-density solid powders is achieved by comminuting the particle agglomerates, in particular by simultaneously reducing the interfacial tension between the powders and the milling fluid.
  • the energy required for this purpose is introduced as kinetic energy by mass acceleration in the narrow flow space defined by the rotor and stator.
  • the agglomerates are sheared and the powder particles friction with each other as well as with the tool surfaces.
  • weakly structured, milling-active surface areas the comminution and separation effect is further increased by friction, so that very homogeneous suspensions can be produced.
  • a batchwise process is implemented by a closed system ( Figure), in which the suspension is pumped back by the acting as a pump dispersion tools in the supply tank.
  • rotor and stator are shaped so that a gap volume is formed between them as a working volume, preferably in the form of a conical hollow cylinder which forms a rotation volume, a conical annular gap (shearing gap).
  • a conical annular gap spacer gap
  • Other, for example, curved contours result in a crescent-shaped annular gap.
  • a cylindrical annular gap in the form of a conical annulus is formed by the interaction of two discs or ring and disc as a rotor and stator. Rotor and stator are always rotationally symmetric here.
  • the height of the working volume through which the suspension flows from inlet to outlet corresponds 0.1 to 12 times, preferably 1 to 12 times, more preferably 3 to 5 times the mean diameter of the rotor component (rotor).
  • the smallest distance between the rotor and stator stator is at the outlet side of the system and should be less than 3 mm, preferably less than 0.1 mm.
  • the size of the work done by the dispersing device is dependent on the speed of the rotor or its peripheral speed. Furthermore, the shear gap also influences the work performance. By suitable, diverse surface designs of the opposite, the shear gap forming lateral surfaces of the rotor and stator, the shear force can be varied in addition within wide limits.
  • the grinding gap itself may preferably be conical, so that its width can be adjusted continuously by shifting the rotor plane. In this way, an excellent adaptation to the requirements of hard metal mixed material, which are primarily determined by WC grain size and composition succeeds. A conical or cylindrical rotor or stator can be reground particularly well, which is why this shape is also preferred.
  • the tool surfaces of the disperser i.
  • the active surfaces of the rotor and stator can be coated in a particularly preferred embodiment with hard metal.
  • the coating would preferably be so strong that a repeated regrinding of the surface is possible.
  • Rotor and / or stator can also consist of a total of hard metal or hard metal-steel composite.
  • the dispersing device 1 comprises a rotor-stator unit 10 with a conical rotor 12 in this example, which rotates in a hollow cone-shaped stator 14. Between rotor 12 and stator 14, the working volume 16 of the dispersing device is formed, which here is a gap volume, with an in Flow direction narrowing gap.
  • Dispersing liquid eg ethanol
  • cobalt powder carbon black
  • additional carbides eg (Ta, Nb) C, (W, Ti) C, Cr 3 C 2
  • tungsten carbide eg. B. paraffin
  • pressing aids eg. B. paraffin
  • this suspension is fed to the dispersing device 1.
  • this powder and dispersing liquid are greatly accelerated, so that the powder agglomerates broken, the softer binder partially alloyed to the hard metal or cermet and - depending on the energy input and type of particles - the particle size is reduced. Due to the acquired kinetic acceleration of the entire suspension is pumped back through the outlet 4 and the riser 5 in or behind the supply tank 2 at the same time or further discharged in a changed position of the 3-way valve through line 4.
  • the powders in the apparatus are simultaneously mechanically coated with the pressing aid.
  • the suspension is fed directly to a dryer 7 (spray dryer, eddy current dryer or others) in order to generate a pressable mixture which, after being discharged through line 9, is further processed in a manner known per se.
  • a dryer 7 spray dryer, eddy current dryer or others
  • Conventional shaping methods and sintering lead to usable moldings of hard metal or cermet alloys or to sintered granules.
  • the separated in the dryer 7 dispersing liquid can be removed or recycled via line 8.
  • Example 1 Approx. 3,000 ml of ethanol were introduced into the feed tank and the dispersing device was put into operation at about 10100 rpm or a peripheral speed of about 29 m / min. A shear gap of 0.1 mm was set. In addition, an agitator was put into operation in the supply tank. Thereafter, the addition of 0.9 kg of cobalt powder having an average particle size of 0.9 ⁇ m, 0.05 kg of Cr 3 C 2 powder having an average particle size of 0.87 ⁇ m, 0.001 kg of carbon black having a particle size of 0, was carried out successively.
  • a mixture of comparable quality prepared in stirred ball mills requires a grinding time of 8 hours plus about 1 hour to homogenize the pressing aid in the suspension.
  • Example 3 In approximately 3,000 ml of circulating and stirred ethanol, 10 kg were added to ⁇ 5 mm pre-broken pressing and processing reflux, consisting of 6% Co and 94% WC, and the parameters Speed - about 7,900 min -1 Peripheral speed - 23.5 m / s Shear gap - 0.1 mm treated in the cone mill. After 5 and 10 minutes samples were taken and made from it as above sintered specimens.
  • Example 4 According to Example 1 was with 1.0 kg of cobalt powder having the average particle size of 0.9 microns, 0.002 kg of carbon black, 9.0 kg of WC with the average particle size of 0.6 .mu.m and with 0.20 kg of fluffy paraffin with Agglomerate particle sizes of ⁇ 15 mm under the conditions Speed - about 7,900 min -1 Peripheral speed - 23.5 m / s Shear gap - 0.1 mm treated in the rotor-stator grinding unit. The temperature was adjusted to about 40 ° C. After 5, 10, 20 and 30 minutes, sample was taken as usual and sintered test specimens were prepared from it. The drying took place in the spray tower.

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Abstract

Das verbesserte Verfahren zur Herstellung einer Hartmetall- oder Cermetmischung zeichnet sich dadurch aus, dass die Einsatz-Pulver der Hartstoff- und Bindemetall-Komponenten in einer für die zu fertigende Haftmetalllegierung geeigneten Korngröße bereitgestellt werden, dass alle Mischungsbestandteilen in einer Dispergier- oder Mahlflüssigkeit ohne frei bewegliche Mahlkörper in einer nach dem Rotor-Stator-Prinzip arbeitenden Dispergiervorrichtung mittels großer Scherkräfte in einem konischen Spalt zwischen Rotor und Stator homogenisiert und dispergiert werden und schließlich die Dispergierflüssigkeit aus der Mischung entfernt wird. Das Verfahren kann batchweise oder kontinuierlich geführt werden und ermöglicht es gegenüber herkömmlichen Verfahren erheblich Energie und Zeit einzusparen. Die Verarbeitung zu Hartmetallprodukten erfolgt anschließend auf bekannte Weise.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Hartmetall- oder Cermetmischung, die für die pulvermetallurgische Weiterverarbeitung zu Hartmetall- und Cermetformstücken und für thermische Beschichtungen vorgesehen ist. Insbesondere betrifft die Erfindung den Teilschritt der Herstellung einer Suspension homogener Verteilung aus den Mischungskomponenten, sowie eine Vorrichtung für die Herstellung einer Pulvermischung über die Zwischenstufe einer Pulversuspension.
  • Hartmetalllegierungen, auch nur Hartmetalle genannt, bestehen aus metallischen Hartstoffen und einer Bindemetallphase. Legierungen auf der Basis von Karbonitriden werden als Cermets bezeichnet. Zu den Hartstoffen zählen im wesentlichen die Karbide, Nitride und Karbonitride der IVa-, Va- und Vla-Elemente des Periodensystems der Elemente. Mitunter werden auch einige Boride und Silizide dieser Elemente hinzugerechnet. Die oft gute Mischbarkeit von Karbiden, Nitriden und Boriden untereinander, mitunter auch mit Oxiden, ermöglichen zusammen mit anderen Elementen der Nebengruppen eine große Palette weiterer Hartstoffverbindungen wie das beispielsweise die folgende Aufzählung der Ti-Basis-Hartstoffverbindungen verdeutlicht, ohne vollständig zu sein: TiCN, TiBN, TiBON, TiBCN, TiAlN, TiAlCN, TiCON, TiZrN und TiZrCN.
    Als verbindende Matrix zwischen den Hartstoffkristalliten dienen die Elemente der Eisengruppe des PSE, Eisen, Nickel und Kobalt oder Legierungen auf deren Basis; sie werden auch als Bindemetalle bezeichnet.
    Im Sintergefüge liegen die Hartstoffteilchen neben dem Bindemetall vor und werden von diesem untereinander verbunden. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einem "Teilchenverbundwerkstoff".
    Hartmetalle werden heute in einer Vielzahl verschiedener Legierungen zum Einsatz gebracht. Die wesentlichsten Einflussfaktoren für den Legierungsaufbau sind Zusammensetzung und Struktur. So wird das WC strukturbestimmend in Korngrößen von 0,2 µm bis zu ca. 50 µm (FSSS [Fisher Sub Sieve Sizer] ) eingesetzt, die Co-Gehalte bewegen sich zwischen 0,2 % und 30 %; kubische Karbide bilden eine zusätzliche Phase aus.
  • Die Legierungskomponenten der Hartmetalle zählen zu den hochschmelzenden Metallen und Verbindungen obwohl sie teilweise nicht absolut hochtemperaturbeständig sind, weshalb ihre Herstellung nur auf pulvermetallurgischem Wege erfolgen kann. Dasselbe gilt für die Cermets (Metallkeramiken), einer besonderen Gruppe von Hartmetallen mit völlig entsprechender Verarbeitung.
  • Zur Herstellung der Hartmetalle werden die pulverförmigen Ausgangsmaterialien in Mahl- und Homogenisierungseinrichtungen ausnahmslos unter Verwendung von Mahlhilfsmitteln zum Oxidationsschutz homogenisiert, in Trocknungs- und Granulieranlagen zu rieselfähigen Pulvern weiterverarbeitet, mittels Press- und spanender Verfahren zu geometrischen Körpern geformt und nach Erreichen der höchstmöglichen Endkontur gesintert und damit in ihren Eigenschaften konsolidiert.
    Von besonderer Bedeutung ist im Herstellungsablauf die Homogenisierung der pulverförmigen Einsatzmaterialien, denn nur wenn die Hartstoffteilchen ausreichend und gleichmäßig von der Bindemetallphase umgeben sind, kann beim Sintern der Zusammenhalt im Gefüge und die zweckbestimmende Eigenschaft des Hartmetalls erreicht werden.
  • Als Voraussetzung für eine gute Benetzbarkeit wird dabei die bei der Homogenisierungsmahlung erzielte reiblegierte und kaltverschweißte Verbindung von Co-Anteilen auf den Oberflächen der WC-Kristallite angesehen. Sie ist das Ergebnis hohen Energieeintrags während des Mahlens und dessen Umsetzung in Arbeit zur Überwindung von Haft- und Bindungskräften.
  • Die Hartstoff- und Bindemetallpulver liegen nicht als Einzelkörner oder Einzelkristallite vor. Durch Nachwirkung von Herstellung, Transport, Druck und statische Aufladung mittels Reibung sind Agglomerate entstanden, die mehr oder weniger beständig sind. Je kleiner die Pulverkorngröße, umso ausgeprägter ist die Agglomeratbildung. Bei der Mischungsherstellung müssen diese Agglomerate aufgebrochen und zerteilt werden, um ihre homogene Verteilung zu erhalten. Im allgemeinen wird die Deagglomerierung mit einer Mahlung bewirkt.
  • Je nach Korngröße der Einsatzmaterialien gestaltet sich die Dauer der Mahlbehandlung: feine Pulver müssen lange und grobe kürzer gemahlen werden.
    Geeignete Mahlhilfsmittel sind Wasser, niedrig siedende Kohlenwasserstoffe (Ethanol, Aceton, Heptan) u. a.. Die Auswahl richtet sich nach dem Trocknungsverfahren und den verwendeten Presshilfsmitteln.
  • Bei der pulvermetallurgischen Herstellung von Sinterkörpern werden deren Eigenschaften in höchstem Maße von der Verteilung der Komponenten beeinflusst. Dies gilt insbesondere für heterogene Werkstoffe, wie z. B. Hartmetalle. Je gleichmäßiger die Verteilung, umso größer sind die Kontaktbereiche zwischen den Komponenten. Das Optimum wird durch solche Pulvermischungen verkörpert, deren Komponenten statistisch verteilt und frei von Agglomeraten sind. Das Aufbrechen und Verteilen der Agglomerate ist dabei in besonderer Weise für die Mischungsgüte ausschlaggebend und es sind dazu mitunter hohe Scherkräfte aufzuwenden.
  • Eine gute Verteilung sollte sich auch im Pressling der Pulvermischung wiederfinden und im nachfolgenden Sinterprozess konsolidiert werden.
  • Die Homogenität der Mischung bzw. des Presslings hat auch Auswirkungen auf die weiteren Prozessschritte und die Eigenschaften. So schwinden derartige Körper beim Sintern einheitlich, ohne sich zu verziehen und die Festigkeitseigenschaften sind keinen Schwankungen unterworfen.
  • Die Nassmahlung erfolgt in Attritoren und anderen Mahlkörpermühlen; dabei wird dem Attritor auf Grund seiner kürzeren Mahldauer und damit erhöhten Wirtschaftlichkeit oft der Vorzug gegeben. Die früher vielfach verwendeten Kugelmühlen wurden inzwischen durch Schwing- oder Vibrationsmühlen verdrängt. Als besonders wirksam hat sich jedoch die Attritormahlung erwiesen (Siehe hierzu auch "W. Schedler: Hartmetall für den Praktiker, VDI-Verlag 1988" und "H. Kolaska: Pulvermetallurgier der Hartmetalle, Fachverband Pulvermetallurgie, 1992").
  • Beim Mahlen in Attritoren, Schwing- oder rotierenden Kugelmühlen werden die Ausgangsstoffe zwangsläufig weiter zerkleinert, selbst wenn nur eine Auflösung der Pulveraggregate gewollt und notwendig wäre.
  • Darüber hinaus gelten aber auch Abhängigkeiten der Mahldauer bzw. -intensität vom Mahlverfahren und von der Mahlkörperform. Als vergleichbar werden die Mahlintensitäten von 1 Std. im Attritor mit ca. 4 Std. in der Schwingmühle und mit ca. 12 Std. in der Kugelmühle mit gleichen Mahlkörpern angesehen.
    Andererseits ist der Mahl- und Homogenisierungsvorgang (Zerteilung der Pulveragglomerate) umso intensiver, wenn Mahlkörper kleinen Volumens eingesetzt werden; großvolumige Mahlkörper werden zur schonenden Mischungsherstellung verwendet. Die Größe der Mahlgefäße beträgt im Allgemeinen 30 bis 1000 dm3.
    Die Intensität der Mahlung wird mit der Größe des Mahlaggregates im allgemeinen höher und somit die Mahldauer umso kürzer.
    Durch die Zerkleinerung der Pulver wird deren Oberfläche größer; je kleiner die Teilchen, umso größer ist die Oberfläche; Teilchenvolumen und -masse bleiben jedoch stets gleich.
    Allen Mahlvorgängen ist gleich, dass einer Relativbewegung der Mahlkörper eine Bewegung des Mahlgutes überlagert wird. Mahlen ist also zugleich auch mechanische Zerkleinerung, wobei die im Mahlaggregat erzeugte Bewegungsenergie auf die zu zerkleinernden Feststoffpartikel übertragen wird. Es beginnt damit, dass die mechanische Bewegungsenergie in den Kristalliten des Mahlgutes mechanische Spannungen erzeugt. In Abhängigkeit von den Mahlguteigenschaften und der Spannungshöhe führt dies früher oder später zum Bruch.
    Im Ergebnis der Bewegung von Mahlkörper und Mahlgut wird gleichzeitig eine homogene Verteilung der Pulver erreicht und die spezifische Oberfläche in hohem Maße vergrößert. Die sich aus dieser Vergrößerung der Oberfläche ergebende große Oberflächenenergie stellt nach "W. Schatt: "Pulvermetallurgie, Sinter- und Verbundwerkstoffe, Verlag Grundstoffindustrie, Leipzig 1988" die Haupttriebkraft für den Sintervorgang dar, der zur stofflichen Konsolidierung des Stoffsystems unerlässlich ist. Dieser Beanspruchungsmechanismus hat sich bei der als Feinstzerkleinerung definierten Hartmetallmischungsherstellung seit Jahren bestätigt.
    Beim Zerkleinern der Feststoffe müssen die inneren Kräfte durch das Einwirken äußerer Kräfte überwunden werden, z. B. durch Vergrößerung des Abstandes zwischen den Elementarteilchen durch Zug- oder Schubspannungen; Druckspannungen führen zur Annäherung der Elementarteilchen, aber nicht zu deren Trennung.
    Eine weitgehende Zerkleinerung als Voraussetzung für die Herstellung der Hartmetallmischungen erfolgt in Kugelmühlen. Abgesehen von der Drehzahloptimierung weisen diese Mühlen eine geringe Leistungsdichte auf. Der aber für diesen Prozessschritt (Hartfeinstzerkleinerung und Homogenisierung) erforderliche hohe Energiebedarf führt bei der geringen Leistungsdichte dieser Maschinen zu sehr langen Mahldauern von vielen Stunden bis zu mehreren Tagen. Der hohe Energiebedarf resultiert auch aus dem Arbeitsprinzip, wonach die Bewegung von Mahlkörper und Mahlgut durch Rotation des Mahlbehälters erzeugt wird, Beschleunigung und Geschwindigkeit der Mahlkörper aber vergleichsweise klein bleiben. Auch gibt es unterschiedliche spezifische Beanspruchungen für die Mahlkörper.
    Die Mahlintensität ist durch Kugel- bzw. Stiftmahlkörper unterschiedlicher Größe gut steuerbar.
    Vorteilhaft wirkt sich die ständige Auflockerung durch die Bewegung des Gesamtsystems aus. Die ungeordnete Mahlkörperbewegung ergibt jedoch eine breite Korngrößenverteilung im Mahlgut.
    Der Füllgrad einer Kugelmühle liegt bei etwa 30...45 %.
  • Bei der weiterentwickelten Vibrationsmühle konnte die Leistungsdichte vergrößert werden, wobei die Relativbewegung der Mahlkörper in ihrer Schüttung, die der Ausgangspunkt für die erreichbare Zerkleinerung des Mahlgutes ist, durch eine Schwingbewegung des umgebenden Mahlbehälters angeregt wird.
    Für die Zerkleinerung sind die Beanspruchungsmechanismen Schlag und Stoß einerseits und Reibung anderseits von Bedeutung. Es überwiegen aber die ersteren beiden.
    Die hohe kinetische Energie mit der zwangsläufig ansteigenden Zahl an Berührungspunkten zwischen den Kugeln machte den Prozess effektiver. Ursache ist auch die kreisschwingende Bewegung des Gesamtsystems mit gleichartigen Wurfbewegungen. Dadurch wird die Füllung locker gehalten, was aber wieder nur eine relativ breite Korngrößenverteilung zur Folge hat. Dennoch wird nur ein Teil der zugeführten Energie genutzt. Der größere Teil wird durch nichtelastische Deformationen der Teilchen, durch Reibung und durch Verschleiß in Wärme freigesetzt.
    Der Füllgrad beträgt etwa 50...65 %.
  • Auch bei den Rührwerkskugelmühlen wird die Zerkleinerungsintensität zwischen den Berührungsflächen von bewegten Kugeln genutzt. Bei feststehendem Mahlbehälter werden Mahlkörper und Mahlgut durch einen in die Kugelfüllung hineinragenden Rührarm (Quirl) horizontal in Bewegung versetzt. Eine vertikale Bewegung der Suspension erfolgt mittels eines Pumpsystems. Die Kugeln sind noch kleiner und dadurch die Anzahl ihrer Berührungspunkte noch größer, so dass die Zerkleinerungsleistung signifikant ansteigt. Das Rührwerk erzeugt eine hohe Beschleunigung mit hoher Geschwindigkeit, die auf alle Kugeln gleichzeitig und gleichsinnig wirkt. Hierbei erfolgt die Zerkleinerung der Karbidteilchen weniger durch Bruch, sondern eher durch Abrieb bzw. Absplitterung feiner Randpartikel. Demzufolge ist die Zerkleinerungsarbeit noch intensiver und die Mahldauer sinkt. Mit abnehmender Partikelgröße steigt deren Festigkeit und damit die erforderliche Zerkleinerungsenergie. Gleichzeitig steigen die bei den geringen Partikelgrößen wirkenden Kohäsionskräfte, so dass insbesondere bei den Fein- und Feinstkornhartmetallen der Einsatz von Mühlen mit hohem Energieeintrag, wie sie von den Attritoren verkörpert werden, für dieses Nassmahlverfahren erforderlich sind.
    Nach dem Zerkleinern besteht die Gefahr einer Rückagglomeration, eine Kornvergröberung, durch erneute Anlagerungen der Teilchen untereinander.
    Die Leistungsdichte dieser Attritoren steigt im Vergleich mit Kugel- und Vibrationsmühle in dieser Reihenfolge an und erreicht Höchstwerte.
    Der Füllgrad beträgt ca. 80...85 %.
  • Charakteristisch für diese Zerkleinerungsprozesse mittels frei beweglicher Mahlkörper ist ihr hoher Energiebedarf. Deshalb besteht der permanente Ansporn nach rationelleren Verfahrensabläufen zu suchen. So hat es immer wieder Bestrebungen gegeben, eine Zerkleinerung und Homogenisierung der Hartmetallkomponenten durch neuartige Verknüpfungen der Mechanismen Prall, Schlag, Druck, Scherung und Reibung zu realisieren. Haupttriebkraft solcher Vorschläge waren in erster Linie der hohe Energieverbrauch und die lange Mahldauer, die in den Mahlkörper-Mahleinrichtungen erforderlich sind, sowie die hohen Anlagekosten.
    In N. Stehr: "Nassfeinstmahlung mit Rührwerksmühlen in der Keramik - Grundlagen...", Keramische Zeitschrift, 42. Jahrgang, 1990 Nr.3, wurde eine Ringspaltmühle beschrieben, die speziell für die Feinstmahlung von Hartstoffen entwickelt wurde. Gemäß ihrem Wirkprinzip ist ein aus Rotor und Stator gebildeter Mahlraum mit Mahlkörpern gefüllt. Die Pulversuspension - man arbeitet mit Mahlflüssigkeit - tritt von unten ein und verlässt die Mühle am Überlauf.
  • Die Zerkleinerung des Mahlgutes erfolgt auf Grund der Relativgeschwindigkeit der Mahlkörper. Die dabei pro Mahlpassage zuführbare Energie beträgt ca. 100 kWh/t oder bei 5-maliger Passage entsprechend ca. 500 kWh/t. Eine mehrfache Passage des Mahlgutes ist erforderlich, um eine vergleichbare Mischungsqualität zu erhalten.
  • In DE 199 01 305 wurde der Vorschlag gemacht, ohne Mahlkörper und flüssigen Mahlhilfsmitteln homogene Hartstoff- und Bindemetall-Mischungen zu erzeugen, wobei durch Behälterrotation eine stetige Durchmischung erfolgt und zusätzlich durch einen Intensivrührer hohe Scherkräfte zur Zerteilung der Agglomerate eingebracht werden. Dazu wird ein Scherspalt von 0,5...5 mm bei Umfangsgeschwindigkeiten von 8...25 m/s verwendet, so dass daraus eine Schergeschwindigkeit von 1.000...20.000 s-1 resultiert. Die Schergeschwindigkeit ist dabei definiert als der Quotient aus Umfangsgeschwindigkeit und Scherspaltbreite.
    Die Mischdauer beträgt 30...90 min; das Mahlgut soll 5...10 mal durch den Intensivrührer hindurchgeleitet werden. Auf Grund der Anordnung von Mahlgut und Rührer sind die Pulverteilchen nicht gezwungen, den Mahlspalt zu durchlaufen.
    Nachteilig ist die trockene Ausführung des Mischvorgangs. Zur gleichmäßigen Verteilung des Presshilfsmittels sind Temperaturen bis ca. 300 °C erforderlich. Bei diesen Pulvertemperaturen besteht erhöhte Oxidationsgefahr, der demzufolge mit überhöhten C-Zugaben begegnet werden muss. Andererseits besteht daraus die Gefahr von lokalen C-Anreicherungen, die im Sinterprozess zu WC-Wachstum führt, einem Gefügefehler.
    Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass das Mahlgut nach Prozessende wieder abgekühlt werden muss. Dabei agglomerieren die wachsbelegten Pulverteilchen erneut. Die dabei entstehenden Agglomerate mit breitem Kornspektrum sind nicht in gleicher Weise rieselfähig, wie die durch Sprühgranulation erzeugten, so dass sie für die automatische Formgebung ungeeignet sind.
    Um rieselfähige Pulvermischungen herzustellen wäre stets eine nachträgliche Aufschlämmung zu einer Suspension erforderlich, aus der in gewohnter Weise durch Sprühtrocknung oder aber andere Granuliertrocknungen ein rieselfähiges Pulvergemisch resultieren würde. Eine Trockengranulation ergibt ungleiches, wenig pressfreundliches Granulat.
  • Die durch den Intensivrührer aufgebrachten Scherkräfte sind wegen des großen Scherspaltes nicht optimal. Die trockene Verfahrensausführung führt zu sehr hohen Verschleißraten an den Mahleinrichtungen, insbesondere der des Intensivrührwerks. Die Oxidation des Mahlgutes soll durch die Anwendung von Schutzgas für die gesamte Anlage unterbunden werden. Dies erfordert eine aufwendige, weil gasdichte Anlagentechik.
  • Nach K. Höffl: "Zerkleinerungs- und Klassiermaschinen, Verlag Grundstoffindustre, Leipzig, 1985", sind bei der Nassfeinstzerkleinerung vom Mahlgut die Prozessteilschritte Zerteilen, Benetzen, Verteilen und Stabilisieren zu durchlaufen. Dabei ist unter Zerteilen insbesondere die Auflösung von Agglomeraten in ihre Einzelbestandteile zu verstehen. Die Ausbreitung der Mahlflüssigkeit auf der Oberfläche der Partikel ist als Benetzung definiert, während beim Verteilen der Konzentrationsausgleich des zerteilten Feststoffs in der Mahlflüssigkeit zu verstehen ist. Stabilisierprozesse dienen dem Erhalt des vorher erreichten Verteilungszustandes.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Hartmetall- und Cermet-Pulvermischungen für die Pulvermetallurgie anzugeben, um die aufgezeigten Nachteile im Stande der Technik zu vermeiden und insbesondere für den Prozessschritt der Herstellung einer homogenen Suspension der Ausgangspulver in einer Mahl- und Dispergierflüssigkeit eine höhere Effizienz und Mischungsgüte zu erzielen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind in den zugehörigen Unteransprüchen genannt.
  • Es wurde gefunden, dass die für die jeweilige Hartmetall- oder Cermetlegierung erforderlichen pulverförmigen Ausgangsmaterialien, ggf. zusätzlich mit Hilfsstoffen, wie z. B. Presshilfsmitteln, unerwartet vorteilhaft in einer nach dem Rotor-Stator-Prinzip ohne freibewegliche Mahlkörper unter Zuhilfenahme von Dispergierflüssigkeit arbeitenden Dispergiervorrichtung, die in ein zwischen den Arbeitsoberflächen des Rotors und des Stators befindliches Arbeitsvolumen durch relativ zueinander gegenläufige Bewegung dieser Werkzeugoberflächen hohe Scherkräfte einbringt, wirksam und hoch effektiv behandelt und dabei homogenisiert werden können.
    Art und Menge der Ausgangskomponenten werden durch Zusammensetzung und Struktur der herzustellenden Hartmetalllegierung vorbestimmt. Die Pulver der Hartstoff- und Bindemetall-Komponenten werden daher in einer für die spätere Mischung geeigneten Korngröße bereitgestellt, und es werden alle Mischungsbestandteile, ggf. einschließlich von Zusatzstoffen, wie Presshilfsmitteln, einschließlich einer Dispergierflüssigkeit ohne frei bewegliche Mahlkörper in der Dispergiervorrichtung, d.h. ohne dass beispielsweise Stahlkugeln zugesetzt würden, homogenisiert.
    Der Ausdruck "Dispergierflüssigkeit" ist hier synonym mit dem im Allgemeinen auf diesem Arbeitsgebiet verwendeten Begriff "Mahlhilfsmittel" zu sehen.
  • Danach wird die Dispergierflüssigkeit aus der nach dem Homogenisierungsschritt erhaltenen homogenen Suspension mittels an sich bekannter Verfahren, z.B. mit Hilfe von Sprühtrocknern, Taumeltrocknern oder Vakuumtrocknern, entfernt, um eine für die pulvermetallurgische Weiterverarbeitung geeignete pulverförmige Feststoffmischung zu ergeben, aus der die verschiedensten Hartmetallprodukte, wie Formstücke oder Sintergranulat, hergestellt werden können.
  • Der erfindungsgemäße Effekt einer effizienten Homogenisierung der Einsatzpulver in Suspension beruht auf der Wirkung der zwischen Rotor und Stator realisierbaren Scherarbeit zum Aufbrechen und Zerteilen der Hartstoff- und Bindemetallpulveragglomerate. Da gleicheitig plötzliche Druckwechsel, Reibung, Zwangsdurchgang, Prall und Schlag wirken, werden die Pulveragglomerate wirkungsvoll auseinandergerissen, und zwar im Wesentlichen ohne eine zusätzliche gar nicht erwünschte Zerkleinerung, wie sie bei der Anwesenheit von Mahlkörpern unvermeidlich ist. Die aufgebrochenen Pulveraggregate werden von der Dispergierflüssigkeit durchdrungen und benetzt, so dass keine Reagglomeration stattfinden kann. Eine zeiteffektive Suspensionsherstellung ist das Ergebnis.
  • Unter einer "relativ gegenläufig zueinander" stattfindenden Bewegung der Rotor- und Statorteile wird verstanden, dass jeweils ein Part der Werkzeugteil-Oberflächen sich bewegt, d.h. rotiert (Rotor) und ein Part steht (Stator). Die gegensläufige Bewegung würde auch erreicht, wenn sich beide Werkzeugteile gegeneinander bewegen, was jedoch als apparativ zu aufwendig angesehen werden muss. Neben der Scherung wirken noch plötzliche Wechsel von Druck und Entspannung, Reibung, Zwangsdurchgang, Prall und Schlag, um die wesentlichsten zu nennen. Dieses Prinzip ist in den Kolloidmühlen mit stark strukturierten Mahlwerkzeugen und in den mit weniger strukturierten Werkzeugen arbeitenden Konusmühlen verwirklicht. Andere Bezeichnungen solcher Dispergiermaschinen sind auch: Mahlpumpe, Homogenisierer, Korundmühle, Korundscheibenmühle, Inline-Homogenisierer, Inline-Dispergierer, Pulverdispergierer...
  • Da die erfindungsgemäße Dispergiervorrichtung ohne frei bewegliche Mahlkörper im engen Mahlspalt arbeitet, findet hier keine mechanische Zerkleinerung wie in den Mahlkörpermühlen statt. Im Unterschied zu dem Trockenprozess der DE 199 01 305 unterstützt die Mahl- bzw. Dispergierflüssigkeit mit ihrer Oberflächenbenetzung und Agglomeratdurchdringung die angestrebte homogene Verteilung; sie stabilisiert sie. Damit ist dieser Prozess nicht als Mahl- oder Zerkleinerungsprozess zu bezeichnen, sondern als Dispergierprozess zur Herstellung einer homogenen Suspension aus vereinzelten Pulverteilchen.
  • In Weiterbildung der Erfindung kann das Verfahren so geführt werden, dass man vor dem Homogenisieren aus den Mischungsbestandteilen und der Dispergierflüssigkeit eine Suspension herstellt und der Dispergiervorrichtung diese Suspension zuführt. Dabei können die zu vermischenden Pulver einzeln suspendiert und diese Suspensionen zusammengeführt werden, oder eine Mischung der Pulverbestandteile kann insgesamt aufgeschlämmt bzw. suspendiert werden.
  • Vorzugsweise durchläuft die zu homogenisierende Suspension die Dispergiervorrichtung mehrfach. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt dies batchweise mit einer festgelegten Anzahl von Durchläufen. Dazu wird die Suspension kontinuierlich vom Auslass zum Einlass der Dispergiervorrichtung zurückgeführt. Alternativ kann das Verfahren kontinuierlich mit einem Rücklauf vom Auslass zum Einlass der Dispergiervorrichtung geführt werden. Die fertige Suspension kann dann nach einer Anlaufphase, d.h. nach Erreichen eines stationären Zustandes abgenommen werden.
  • Wegen der verhältnismäßig hohen Dichteunterschiede, insbesondere zwischen WC und Co einerseits und der Dispergierflüssigkeit andererseits, besteht in der Hartmetalltechnik stets die Gefahr der Separation der Pulver. Dies ist auch hier der Fall, so dass das Absetzen der Pulver bevorzugt durch Zusatzrührwerke verhindert wird. Zur Verringerung der Separationsneigung kann die Suspension auch mit einem die Dispersion stabilisierenden Zusatzstoff (Emulgator, Thixotropierungsmittel, Dispergator) versetzt werden.
  • Als Dispergierflüssigkeit wird vorzugsweise Wasser, Ethanol, Heptan, Hexan, Benzin, Benzol, Tetralin, Aceton oder chlorierter Kohlenwasserstoff, einzeln oder im Gemisch, verwendet.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird der Suspension ein Presshilfsmittel zugegeben, vorzugsweise ein Paraffin, Wachs, Celluloseether. Auf diese Weise wird die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Hartmetall- oder Cermetmischung unmittelbar für die Weiterverarbeitung vorbereitet. Es wird in einem Arbeitsschritt eine sprühfähige, presshilfsmittelhaltige Suspension erzeugt.
  • Die Temperatur der Suspension kann während der Behandlung durch Kühlung und Regelung des Volumenstromes auf vorzugsweise unter 50 °C geregelt werden. Aufgrund der Scherkräfte wird das Presshilfsmittel hauptsächlich auf mechanischem Wege auf die Pulverpartikel aufgebracht und fein verteilt.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dispergierflüssigkeit durch Trocknen entfernt wird, vorzugsweise durch Sprühtrocknung oder im Wirbelstrom. Alternativ können jedoch andere Separationstechniken zur Anwendung kommen, z.B. könnte die Dispergierflüssigkeit auch abzentrifugiert oder abgefiltert werden.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Arbeitsvolumen zwischen Rotor und Stator, in dem sich die Suspension während des Homogenisierungsschritts befindet, ein Spaltvolumen.
  • Die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors kann beim Homogenisieren der Suspension z. B. von 15 bis 60 m/min. Die Güte der Suspension ist abhängig von der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors, dem radialen Abstand zwischen Rotor und Stator (Mahlspalt) und der Größe ihrer mahlaktiven Oberfläche. Durch eine Wiederholung bzw. Vervielfachung von Materialpassagen durch das Arbeitsvolumen, bzw. den Spalt der Dispergiervorrichtung kann ein optimales Ergebnis der Agglomeratvereinzelung und -zerkleinerung erzielt werden.
  • Die Dauer der Homogenisierung sollte 5 bis 120 min, vorzugsweise 20 bis 40 min betragen. Der Zeitaufwand für die Homogenisierung ist damit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren viel geringer als bei herkömmlichen Verfahren.
  • Weiterhin kann vorgesehen sein, dass den Mischungsbestandteilen ungesintertes Hartmetall-Rücklaufmaterial (Pressabfälle) zugeführt wird, vorzugsweise in aufbereiteter Form, insbesondere vorzerkleinert auf etwa Mahlspalteinlaufbreite.
  • Im Ergebnis einer solchen Suspendierung werden im Vergleich zur Rührwerkskugelmühle erhebliche Verbesserungen erreicht. Bei vergleichbaren Suspensions- und demzufolge Mischungsgüten werden signifikante Zeit- und Energieeinsparungen realisiert. So steigt die Raum-Zeit-Ausbeute, der Quotient aus Durchsatzmenge und Mahlraumvolumen mal Zeit ganz enorm an. Die Energieeinsparung resultiert aus den Tatsachen, dass keine Mahlkörper bewegt und keine Zerkleinerung über Spannungseintrag und Bruch erzeugt werden. Darüber hinaus vermindert die niedrige Arbeitstemperatur und die geschlossene Bauweise der Dispergiereinrichtung auch die Verdampfung von umweltbelastenden Dispergierflüssigkeiten.
  • Auch nachfolgende Prozessschritte werden vorteilhaft beeinflusst. So wird durch die hohe Beschleunigung der Pulverteilchen der adsorbierte Luftsauerstoff entfernt, so dass der Suspension weniger Kohlenstoff zum Bilanzausgleich zugesetzt werden muss; WC-Wachstum wird somit enorm unterdrückt. Die hohen Scherkräfte bewirken eine gleichmäßige mechanische Verteilung der Presshilfsmittel auf den Pulvern weit unter den sonst üblichen Prozesstemperaturen.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mischung nach Entfernen der Dispergierflüssigkeit unmittelbar weiterverarbeitet wird. Dies geschieht in an sich bekannter Weise durch Nachplastifizieren, Formgeben, Sintern und/oder Hippen. Als Endprodukte werden durch Pressen der Mischung zu Formstücken und deren Sinterung Werkzeuge, Werkzeugeinsätze und Bauteile erhalten. Aus der erfindungsgemäß hergestellten Mischung werden auch Sintergranulate für die thermische Pulverbeschichtung hergestellt.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung für die Herstellung einer Hartmetall- oder Cermetmischung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei die Vorrichtung oder Anlage folgende Bestandteile umfasst:
    • eine Dispergiervorrichtung, die durch sich relativ gegenläufig zueinander bewegende Werkzeugteil-Oberflächen eines Rotors und eines Stators in ein zwischen diesen Flächen befindliches Arbeitsvolumen Scherkräfte einbringt,
    • wenigstens einen Vorlaufbehälter für Mischungsbestandteile und Dispergierflüssigkeit und/oder für eine Suspension aus Dispergierflüssigkeit und Mischungsbestandteilen,
    • wenigstens eine Zuführleitung für die Zuführung der Suspension oder der Suspensionsbestandteile in die Dispergiervorrichtung,
    • eine Rückführleitung für die Rezirkulation der homogenisierten Suspension in wenigstens einen der Vorlaufbehälter oder die Zuführleitung und
    • eine der Dispergiervorrichtung nachgeschaltete Trockenvorrichtung für den Entzug der Dispergierflüssigkeit aus der homogenisierten Suspension.
  • Zusätzlich können Mittel für die Aufrechterhaltung (Stabilisierung) der Suspension im Vorlaufbehälter vorhanden sein, vorzugsweise wenigstens ein Rührwerk. Alternativ kann die Suspension beispielsweise verwirbelt werden.
  • Nachdem die Suspension in der Dispergiervorrichtung die erforderliche bzw. gewünschte Homogenität erreicht hat, wird sie sofort einer Vorrichtung zum Entzug der Dispergierflüssigkeit zugeführt, vorzugsweise einem Sprühtrockner. Hierfür ist der Dispergiervorrichtung die Trockenvorrichtung unmittelbar nachgeschaltet.
  • Die Dispergiervorrichtung arbeitet nach dem Rotor-Stator-Prinzip und besteht grundsätzlich aus der eigentlichen Rotor-Stator-Einheit, die i.a. in einem Gehäuse mit Zu- und Ablauf angeordnet ist. Es können mehrere Dispergiervorrichtungen in Reihe oder parallel geschaltet sein. Durch den Zulauf, bzw. die Zuführleitung werden dem Arbeitsvolumen der Rotor-Stator-Einheit Dispergierflüssigkeit und pulverförmige Bestandteile, vorzugsweise in vorvermischter bzw. vordispergierter Form, zugeführt. Durch den Ablauf oder auch Auslass wird, wie oben beschrieben batchweise oder kontinuierlich, fertig homogenisierte Pulversuspension abgenommen.
  • Das Suspendieren von Feststoffpulvern hoher Dichte, wie sie bei der Hartmetall-Herstellung erforderlich sind, erfolgt durch Zerkleinerung der Partikelagglomerate, insbesondere durch die gleichzeitige Verringerung der Grenzflächenspannung zwischen den Pulvern und der Mahlflüssigkeit. Die hierzu nötige Energie wird als kinetische Energie durch die Massenbeschleunigung im engen, von Rotor und Stator bestimmten Strömungsraum eingebracht. Zugleich mit der Teilchenbeschleunigung und als Folge ihrer örtlich unterschiedlichen Größe kommt es zur Scherung der Agglomerate sowie Friktion der Pulverteilchen untereinander wie auch mit den Werkzeugoberflächen. Bei Anwendung schwach strukturierter mahlaktiver Oberflächenbereiche wird der Zerkleinerungs- und Vereinzelungseffekt durch Friktion noch weiter erhöht, so dass damit sehr homogene Suspensionen herstellbar sind.
    Eine batchweise Verfahrensführung wird durch eine geschlossene Anlage (Abbildung) realisiert, bei der die Suspension von den auch als Pumpe wirkenden Dispersionswerkzeugen in den Vorlaufbehälter zurückgepumpt wird.
  • Durch eine Kaskade mehrerer Rotor-Stator-Einheiten hintereinander besteht die Möglichkeit einer Inline-Produktion von Hartmetall- und Cermetmischungen. Auf diese Weise ist eine schnelle Reaktion auf die aktuelle Auftragssituation gegeben.
  • Vorzugsweise sind Rotor und Stator so geformt, dass zwischen ihnen als Arbeitsvolumen ein Spaltvolumen ausgebildet wird, vorzugsweise in der Form eines konischen Hohlzylinders, der ein Rotationsvolumen ausbildet, einen konischen Ringspalt (Scherspalt). Andere, beispielsweise geschwungene Konturen ergeben einen sichelförmigen Ringspalt. Ein zylindrischer Ringspalt in der Form eines konischen Kreisringes entsteht beim Zusammenwirken von zwei Scheiben oder Ring und Scheibe als Rotor und Stator. Rotor und Stator sind hier stets rotationssymmetrisch.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entspricht die von der Suspension von Zulauf bis Ablauf durchflossene Höhe des Arbeitsvolumens 0,1- bis 12mal, vorzugsweise 1 bis 12mal, weiter vorzugsweise 3 bis 5mal dem mittleren Durchmessers des Rotorbauelements (Rotors).
    Der geringste Abstand zwischen Rotor und Stator Stator befindet sich an der Auslaufseite des Systems und sollte kleiner 3 mm, vorzugsweise kleiner 0,1 mm sein.
  • Die Größe der von der Dispergiervorrichtung geleisteten Arbeit ist von der Drehzahl des Rotors bzw. seiner Umfangsgeschwindigkeit abhängig. Weiterhin beeinflusst auch der Scherspalt die Arbeitsleistung. Durch geeignete, vielfältige Oberflächengestaltungen der gegenüberliegenden, den Scherspalt bildenden Mantelflächen von Rotor und Stator kann die Scherkraft zusätzlich in weiten Grenzen variiert werden. Der Mahlspalt selbst kann vorzugsweise konisch ausgebildet sein, so dass seine Weite durch Verschieben der Rotordrehebene stufenlos eingestellt werden kann. Auf diese Weise gelingt eine ausgezeichnete Anpassung an die Anforderungen des Hartmetall-Mischgutes, die in erster Linie von WC-Korngröße und Zusammensetzung vorbestimmt sind. Ein konischer oder zylindrischer Rotor bzw. Stator kann besonders gut nachgeschliffen werden, weswegen diese Form ebenfalls bevorzugt wird. Die Werkzeugoberflächen der Dispergiervorrichtung, d.h. die aktiven Oberflächen von Rotor und Stator, können in besonders bevorzugter Ausgestaltung mit Hartmetall beschichtet sein. Die Beschichtung wäre bevorzugt so stark auszuführen, dass ein mehrmaliges Nachschleifen der Oberfläche möglich ist. Rotor und/oder Stator können auch insgesamt aus Hartmetall oder Hartmetall-Stahl-Verbund bestehen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Vorrichtungs-Beipiels für eine kleintechnische Dispergieranlage näher erläutert. Das Beispiel dient allein der Illustration und ist nicht beschränkend zu verstehen. Dem auf dem Arbeitsgebiet tätigen Fachmann ist klar, dass die Erfindung auch mit anderen Vorrichtungsformen im Rahmen der Erfindung ausgeführt werden kann.
    • Fig. 1
    Dispergiervorrichtung mit Vorlaufbehälter für Batchbetrieb.
  • Die Dispergiervorrichtung 1 umfasst eine Rotor-Stator-Einheit 10 mit einem in diesem Beispiel konischen Rotor 12, der in einem hohlkegelförmig ausgebildeten Stator 14 rotiert. Zwischen Rotor 12 und Stator 14 wird das Arbeitsvolumen 16 der Dispergiervorrichtung ausgebildet, das hier ein Spaltvolumen ist, und zwar mit einem in Durchflussrichtung schmaler werdenden Spalt. In den Vorlaufbehälter 2 werden Dispergierflüssigkeit (z. B. Ethanol), Kobaltpulver, Ruß, Zusatzkarbide (z. B. (Ta,Nb)C, (W,Ti)C, Cr3C2), Wolframkarbid, Presshilfsmittel (z. B. Paraffin) und/oder Wolfram als Einzelkomponenten oder aber als trocken vorgemischte Pulvermischung eingebracht und unter Rühren mittels Rührwerk 6 in Schwebe gehalten. Über eine Leitung 3 wird diese Suspension der Dispergiervorrichtung 1 zugeführt. in dieser werden Pulver und Dispergierflüssigkeit stark beschleunigt, so dass die Pulveragglomerate aufgebrochen, die weicheren Bindemittel teilweise auf die Hartmetall- oder Cermetpulver legiert und - je nach Energieeintrag und Art der Teilchen - die Teilchengröße verringert wird. Auf Grund der erworbenen kinetischen Beschleunigung wird gleichzeitig die gesamte Suspension durch den Ablauf 4 und die Steigleitung 5 in oder hinter den Vorlaufbehälter 2 zurückgepumpt oder aber bei veränderter Stellung des 3-Wege-Ventils durch Leitung 4 weiter abgeführt.
  • Sofern ein Presshilfsmittel vorhanden ist werden die Pulver in der Apparatur gleichzeitig mechanisch mit dem Presshilfsmittel beschichtet.
  • Nach der Behandlung in der Dispergiervorrichtung wird die Suspension direkt einem Trockner 7 (Sprühtrockner, Wirbelstromtrockner oder andere) zugeleitet, um eine pressfähige Mischung zu generieren, die nach Abführen durch Leitung 9 in an sich bekannter Weise weiterverarbeitet wird. Übliche Formgebungsverfahren und die Sinterung führen zu gebrauchsfähigen Formkörpern aus Hartmetall- oder Cermetlegierungen oder zu Sintergranulat. Die im Trockner 7 abgetrennte Dispergierflüssigkeit kann über Leitung 8 ab- oder rückgeführt werden.
  • Die folgenden Beispiele sollen die Möglichkeiten der Erfindung weiter verdeutlichen:
  • Beispiel 1: Ca. 3.000 ml Ethanol wurden in den Vorlaufbehälter gefüllt und die Diespergiervorrichtung mit ca. 10100 U/min bzw. einer Umfangsgeschwindigkeit von ca. 29 m/min in Betrieb genommen. Es wurde ein Scherspalt von 0,1 mm eingestellt. Zusätzlich wurde im Vorlaufbehälter ein Rührwerk in Betrieb gesetzt. Danach erfolgte nacheinander die Zugabe von 0,9 kg Kobaltpulver mit der mittleren Korngröße von 0,9 µm, 0,05 kg Cr3C2-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 0,87 µm, 0,001 kg Ruß mit der Teilchengröße von 0,05 µm, 9,05 kg WC-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 1,09 µm sowie 0,2 kg flockiges Paraffin mit Agglomeratteilchengrößen von < 15 mm.
    Mittels Wasserkühlung wurde eine Systemtemperatur von ca. 40°C konstant gehalten.
    Nach Mischzeiten von 5, 10, 20 und 30 Minuten wurden Proben entnommen und daraus entsprechende Probekörper hergestellt und gesintert.
    In nachfolgender Tabelle sind die Ergebnisse dargestellt:
    Mischung Mischzeit Min. Sintertemp. °C Dichte g/cm3 Koerz. kA/m Sättigung µTm3/kg Härte HV30 Porosität
    Beispiel 1 5 1430 14,47 14,9 16,1 1530 <A02
    10 1430 14,47 14,9 16,0 1520 <A02
    20 1430 14,49 14,7 16,1 1520 <A02
    30 1430 14,47 14,7 16,0 1540 <A02
  • Bereits nach 20 Minuten waren die sortenspezifischen Parameter erreicht. Eine in Rührwerkskugelmühlen hergestellte Mischung vergleichbarer Qualität benötigt eine Mahldauer von 8 Std. plus ca. 1 Std. zum Homogenisieren des Presshilfsmittels in der Suspension.
  • Beispiel 2 : In 3.000 ml umlaufenden und gerührten Ethanol wurden nacheinander 0,6 kg Kobaltpulver mit der mittleren Korngröße von 0,9 µm und 9,40 kg WC-Pulver mit der mittleren Korngröße von 1,3 µm sowie 0,20 kg flockiges Paraffin mit Agglomeratteilchengrößen von < 15 mm zugegeben.
    Als Prozessparameter wurden eingestellt:
    • Drehzahl - ca. 7.900 min-1
      Umfangsgeschwindigkeit - 23,5 m/s
    • Scherspaltweite - 0,1 mm.
    Die Temperatur wurde wiederum auf ca. 40°C eingestellt.
    Nach Mischzeiten von 4, 8, 15 und 30 Minuten wurden Proben entnommen aus denen wie unter Beispiel 1 gesinterte Probekörper hergestellt wurden.
    Folgende Ergebnisse wurden erzielt:
    Mischung Mischzeit Min Sintertemp °C Dichte g/cm3 Koerz kA/m Sätt µTm3/kg Härte HV30 Porosität
    Beispiel 2 4 1380 14,8 14,8 11,0 1570 <A02
    8 1380 14,79 15,0 11,0 1590 <A02
    15 1380 14,84 14,9 11,0 1590 <A02
    30 1380 14,84 14,8 11,0 1590 <A02
  • Bereits nach 15 Minuten waren die sortenspezifische Parameter erreicht, die sich bei Attritormahlung erst nach 6 Std. plus 1 Std. zum Homogenisieren des Presshilfsmittels in der Suspension einstellen.
  • Beispiel 3: In ca. 3.000 ml umlaufenden und gerührten Ethanol wurden 10 kg auf < 5 mm vorgebrochenen Preß- und Bearbeitungsrücklauf , bestehend aus 6 % Co und 94 % WC, zugegeben und unter den Parametern
    Drehzahl - ca. 7.900 min-1
    Umfangsgeschwindigkeit - 23,5 m/s
    Scherspaltweite - 0,1 mm
    in der Konusmühle behandelt. Nach 5 und 10 Minuten wurden Proben entnommen und daraus wie oben gesinterte Probekörper hergestellt.
    Es resultieren folgende Ergebnisse :
    Mischung Mischzeit Min Sintertemp °C Dichte g/cm3 Koerz kA/m Sätt µTm3/kg Härte HV30 Porosität
    Beispiel 3 5 1380 14,78 17,7 11,6 1590 <A02
    10 1380 14,78 17,9 11,5 1590 <A02
  • Bereits nach 5 Minuten stellten sich die sortenspezifischen Parameter ein. Im Attritor ist dafür eine Mahldauer von 2 Std. erforderlich.
  • Beispiel 4 : Entsprechend Beispiel 1 wurde mit 1,0 kg Kobaltpulver mit der mittleren Korngröße von 0,9 µm, 0,002 kg Ruß, 9,0 kg WC mit der mittleren Korngröße von 0,6 µm sowie mit 0,20 kg flockiges Paraffin mit Agglomeratteilchengrößen von < 15 mm unter den Bedingungen
    Drehzahl - ca. 7.900 min-1
    Umfangsgeschwindigkeit - 23,5 m/s
    Scherspaltweite - 0,1 mm
    im Rotor-Stator-Mahlaggregat behandelt. Die Temperatur wurde auf ca. 40 °C eingeregelt.
    Nach 5, 10, 20 und 30 Minuten wurde wie gewohnt Probe genommen und daraus gesinterte Probekörper hergestellt. Die Trocknung erfolgte im Sprühturm.
    • Die Ergebnisse :
  • Mischung Mischzeit Min Sintertemp °C Dichte g/cm3 Koerz kA/m Sätt µTm3/kg Härte HV30 Porosität
    Beispiel 4 5 1380 14,16 21,0 17,7 1590 <A02
    10 1380 14,29 21,0 17,6 1620 <A02
    20 1380 14,3 21,0 17,6 1630 <A02
    30 1380 14,35 21,2 17,7 1620 <A02
  • Nach 20 Minuten waren die sortenspezifischen Parameter erreicht. Für eine Herstellung im Attritor sind dafür 6 Std. plus 1 Std. für die Homogenisierung des Paraffins in der Suspension erforderlich.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Hartmetall- oder Cermetmischung, dadurch gekennzeichnet, dass die pulverförmigen Mischungskomponenten in einer für die Mischung geeigneten Korngröße bereitgestellt werden, dass alle Mischungszutaten einschließlich einer Dispergierflüssigkeit ohne frei bewegliche Mahlkörper in einer nach dem Rotor-Stator-Prinzip arbeitenden Dispergiervorrichtung, die durch sich relativ gegenläufig zueinander bewegende Werkzeugteil-Oberflächen in ein zwischen diesen Flächen befindliches Arbeitsvolumen Scherkräfte einbringt, homogenisiert werden und schließlich die Dispergierflüssigkeit aus der homogenisierten Suspension entfernt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man vor dem Homogenisieren aus den Mischungsbestandteilen und der Dispergierflüssigkeit eine Suspension herstellt und der Dispergiervorrichtung diese Suspension zuführt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension die Dispergiervorrichtung mehrfach durchläuft, vorzugsweise batchweise mit einer festgelegten Anzahl von Durchläufen.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension durch dispergierende Zusatzstoffe an einer Separation gehindert wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Dispergierflüssigkeit Wasser, Ethanol, Heptan, Hexan, Benzin, Benzol, Tetralin, Aceton oder chlorierter Kohlenwasserstoff, einzeln oder im Gemisch, verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass den Mischungsbestandteilen ein Presshilfsmittel zugegeben wird, vorzugsweise ein Paraffin, ein Wachs oder ein Celluloseether.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispergierflüssigkeit durch Trocknen entfernt wird, vorzugsweise durch Sprühtrocknung oder im Wirbelstrom.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Suspension während des Homogenisierungsschritts in einem Spaltvolumen befindet, das das Arbeitsvolumen zwischen Rotor und Stator bildet.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors beim Homogenisieren der Suspension von 15 bis 40 m/min beträgt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Homogenisierung 5 bis 120 min , vorzugsweise 20 bis 40 min beträgt.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass den Mischungsbestandteilen ungesintertes Hartmetall-Rücklaufmaterial zugeführt werden, vorzugsweise in aufbereiteter Form, insbesondere vorvermahlen.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung nach Entfernen der Dispergierflüssigkeit unmittelbar der Weiterverarbeitung, wie Nachplastifizieren, Formgeben, Sintern und/oder Hippen, zugeführt wird.
  13. Vorrichtung für die Herstellung einer Hartmetall- oder Cermetmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
    - mit einer Dispergiervorrichtung (1), die durch sich relativ gegenläufig zueinander bewegende Werkzeugteil-Oberflächen eines Rotors (12) und eines Stators (14) in ein zwischen diesen Flächen befindliches Arbeitsvolumen (16) Scherkräfte einbringt,
    - mit wenigstens einem Vorlaufbehälter (2) für Mischungsbestandteile und Dispergierflüssigkeit und/oder für eine Suspension aus Dispergierflüssigkeit und Mischungsbestandteilen,
    - mit wenigstens einer Zuführleitung (3) für die Zuführung der Suspension oder der Suspensionsbestandteile in die Dispergiervorrichtung,
    - mit einer Rückführleitung (5) für die Rezirkulation der homogenisierten Suspension in wenigstens einen der Vorlaufbehälter (2) oder die Zuführleitung (3) und
    - mit einer der Dispergiervorrichtung (1) nachgeschalteten Trockenvorrichtung (7) für den Entzug der Dispergierflüssigkeit aus der homogenisierten Suspension.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Mittel (6) für das Aufschlämmen der Suspension im Vorlaufbehälter (2) vorhanden sind, vorzugsweise wenigstens ein Rührwerk.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass Rotor (12) und Stator (14) so geformt sind, dass zwischen ihnen ein Spaltvolumen ausgebildet wird, vorzugsweise ein zylindrischer oder weiter vorzugsweise ein konischer Ringspalt (Scherspalt).
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