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Die Erfindung betrifft eine Dispergiermaschine und deren Verwendung für die Herstellung von Pulversuspensionen, insbesondere metallischer Pulversuspensionen, speziell Suspensionen von Hartmetallpulvermischungen oder auch Cermetmischungen. Die Dispergiermaschine arbeitet mit Dispergierflüssigkeit (auch als Mahlflüssigkeit bezeichnet), in die die Einsatzpulvermaterialien dispergiert werden. In nachfolgenden Prozessschritten kann die Flüssigkeit auf bekannte Weise wieder entfernt werden, so dass schließlich eine homogene Pulvermischung erhalten wird.
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Insbesondere betrifft die Erfindung Rotor- und Statorbauelemente in Rotor-Stator-Mahlaggregaten zum Einsatz für die Herstellung von homogenen Suspensionen aus metallischen Pulverkomponenten und flüssigen Mahlhilfsmitteln, wie sie beispielsweise in der Pulvermetallurgie als Prozessschritt erforderlich sind.
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Die Pulvermetallurgie umfasst das Herstellen von metallischen Pulvern und das Fertigen von Teilen aus diesen Pulvern durch Formen und Sintern. Für eine Reihe von Werkstoffen hat sich dieser Verfahrensweg zur Herstellung metallischer Bauteile und Formstücke fest etabliert. Die Vorteile dieser Technik treten dann hervor, wenn die Bauteile aus teuren Werkstoffen oder hochschmelzenden Metallen oder Legierungen bestehen. In besonderer Weise ist die pulvermetallurgische Fertigung dann erforderlich, wenn schmelzmetallurgische Verfahren nicht erfolgreich sind, wie z. B. bei den Hartmetallen und Cermetlegierungen.
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Zur Herstellung der Pulvermischungen werden die pulverförmigen Ausgangsmaterialien in Mahl- und Homogenisierungseinrichtungen unter Verwendung von flüssigen Mahlhilfsmitteln 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.
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Geeignete Mahlhilfsmittel sind Wasser, niedrigsiedende Kohlenwasserstoffe (Ethanol, Aceton, Heptan) u. a. Die Auswahl richtet sich nach dem Trocknungsverfahren und den verwendeten Presshilfsmitteln.
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Von besonderer Bedeutung ist im Herstellungsablauf von Hartmetallen die Homogenisierung der pulverförmigen Einsatzmaterialien, denn nur wenn die Hartstoffteilchen ausreichend und gleichmäßig von der Bindemetallphase umgeben sind und von dieser benetzt werden, kann der Zusammenhalt im Gefüge und die zweckbestimmende Eigenschaft des Hartmetalls erreicht werden.
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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. Für diesen Prozessschritt werden heute weitgehend Attritoren eingesetzt, die sich den Kugel- und Schwingmühlen gegenüber als wesentlich effektiver herausgestellt haben.
Bei allen diesen Mahlaggregaten ist das Wirkprinzip insofern gleich, dass einer Relativbewegung der frei beweglichen Mahlkörper eine Bewegung des Mahlgutes überlagert wird. Dabei gerät das Mahlgut auch zwischen die Mahlkörper, wobei es gleichzeitig einem hohen Druck ausgesetzt wird, in dessen Folge leztendlich auch seine Zerkleinerung erfolgt. Als weiteres Ergebnis der Bewegung von Mahlkörper und Mahlgut werden die Pulver homogen verteilt. Um zu reproduzierbaren Resultaten zu gelangen, ist eine lange Mahldauer unerlässlich.
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Je nach Korngröße der Einsatzmaterialien gestaltet sich die Dauer der Mahlbehandlung; feine Pulver müssen lange und grobe kürzer gemahlen werden. 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. Nach Schedler, "Hartmetall für den Praktiker"; VDI-Verlag 1988, steigt die Mahlintensität auch mit der Größe des Aggregats an, so dass im allgemeinen eine kürzere Mahldauer erforderlich ist.
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Andererseits ist der Mahl- und Homogenisierungsvorgang (Zerteilung der Pulveragglomerate) umso intensiver, wenn Mahlkörper kleinen Volumens eingesetzt werden (viele Mahlkörperkontaktstellen); großvolumige Mahlkörper werden zur schonenden Mischungsherstellung (wenigere Mahlkörperkontaktstellen) verwendet.
Die Homogenität einer Mischung, eines Presslings und des Sinterformstücks hat auch Auswirkungen auf nachfolgende Prozessschritte und auf die Eigenschaften. So schwinden homogene Körper einheitlich, ohne sich zu verziehen und die Festigkeitseigenschaften sind keinen Schwankungen unterworfen.
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Es hat aber immer wieder Bestrebungen gegeben, eine Zerkleinerung und Homogenisierung der Hartmetall-Komponenten durch die Kombination der Mechanismen Prall, Schlag, Druck und Scherung bzw. Dominanz einzelner davon 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 und führte meist zu einem größeren Mahlraumvolumen.
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Ferner sind Rotor-Stator-Mahlaggregate bekannt, unter anderem unter der Bezeichnung Korundmühlen, Kolloidmühlen oder Konusmühlen. Die Mahlwerkzeuge bestehen aus Korund, Stahlwerkstoffen oder mittels thermischem Spritzen gepanzertem Stahl.
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Für hartstoffhaltige metallische Pulver, wie sie auch Hartmetall- und Cermetpulvermischungen darstellen, sind derartige Mahlelemente in der Regel ungeeignet. Ursache ist der während des Zerteilungsvorgangs zwangsläufige Verschleiß an den Mahlelementen; die hartstoffhaltigen Pulvermischungen wirken hochgradig abrasiv. Von noch größerem Nachteil ist jedoch der oxidischer Charakter bei den Korundwerkzeugen, der insbesondere bei Hartmetallmischungen qualitätschädigend ist.
Eine Ausführung der Mahlelemente in Stahl oder rostfreien Stahl führt nur insofern zu einer Veränderung, dass das kontaminierte, aus dem Bauteilverschleiß herrührende Material metallischen Charakter besitzt. Da aber die zu bearbeitenden Hartstoffpartikel in den Hartmetall- und Cermetpulvermischungen eine wesentlich höhere Härten (> 1800 HV) und Verschleißfestigkeiten gegenüber den Stahlbauteilen (ca. 350 HV) besitzen, weisen die Mahlelemente nur geringe Standzeiten auf.
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Es sind auch mittels thermischer oder Hochgeschwindigkeitsverfahren aufgespritzte Hartmetall-beschichtungen der Bauelemente bekannt. Diese können den Verschleiß reduzieren bis sie selbst verschlissen sind. Danach treten die zum Stahlwerkstoff dargelegten Probleme erneut auf.
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Diese Mahlwerkzeuge sind mit einer verhältnismäßig kleinen Scherfläche ausgestattet. Dadurch ist eine große Anzahl an Materialdurchgängen durch Umpumpen der Suspension erforderlich. Bei hochverschleißend wirkenden Materialien wird ein häufiger Ersatz der zudem geometrisch komplizierten Bauteilen erforderlich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dispergiermaschine so auszugestalten, dass die aufgezeigten, im Stande der Technik vorhandenen Nachteile vermieden werden und die Mühle für die Herstellung hartstoffhaltiger metallischer homogener Pulvermischungen verwendet werden kann.
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Die Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und der Verwendung gemäß Anspruch 12, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung in den Unteransprüchen genannt sind.
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In Rotor-Stator-Mahlaggregaten sind Bedingungen vorgefunden worden, die die Anforderungen nach Zerteilung und Homogenisierung in hohem Maße erfüllen. Diese Mahlaggregate arbeiten ohne frei bewegliche Mahlkörper. Ein als rotationssymmetrischer konischer Körper ausgebildeter schnelllaufender Rotor dreht sich mit sehr engem Spalt in einem mit entsprechend größerem Winkel beispielsweise konisch ausgebildetem Stator, so dass zwischen beiden Bauteilen des Mahlwerkzeugs eine große Scherarbeit geleistet wird. Daneben wirken noch plötzliche Wechsel von Druck und Entspannung, Unterdruck, Reibung, Zwangsführung, Prall und Schlag. Die Größe der geleisteten Arbeit ist dabei 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.
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Der Mahlspalt selbst ist vorzugsweise konisch ausgebildet, so dass seine Weite durch Verschieben der Rotordrehebene stufenlos eingestellt werden kann. Auf diese Weise gelingt eine ausgezeichnete Anpassung an die Anforderungen des Mahlgutes, die in erster Linie von Pulverkorngröße und Zusammensetzung vorbestimmt sind. Diese Maßnahmen realisieren einzeln oder gemeinsam schonendere oder aggressivere Zerteilungen.
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Durch Anwendung von Mahlflüssigkeit und Zusatz von Plastifizierungsmitteln wird in einem Prozessschritt eine sprühfähige, presshilfsmittelhaltige Suspension erzeugt.
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Generell besitzt die erfindungsgemäße Dispergiermaschine für die Herstellung und Homogenisierung von Pulversuspensionen Rotor- und Statorelemente, die Mahlwerkzeuge mit einem in Arbeitsposition zwischen ihnen befindlichen Spalt bilden. Das Spaltvolumen zwischen Rotor und Stator stellt ein Arbeitsvolumen dar, in welches durch relativ gegenläufige Bewegung der sich gegenüberstehenden Rotor- und Stator-Mantelflächen bzw. Werkzeugteiloberflächen Scherkräfte einbringbar sind, die auf die Pulveragglomerate und -teilchen unmittelbar einwirken und diese in der Dispergier- bzw. Mahlflüssigkeit zu homogenen Suspensionen dispergieren. Dabei bestehen sowohl Rotor als auch Stator oder Teile von Rotor und Stator, die die Mantelflächen dieser Maschinenteile umfassen, aus einem geformten, gesinterten Hartmetall.
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Im Stande der Technik ist es bereits üblich, Werkzeugteile zur Verschleißhemmung mit Hartmetallen zu beschichten. Hierfür werden Pulverbeschichtungstechniken verwendet, die eine Hartmetallauflage aus einem nicht optimal dichten Hartmetall bereitstellen. Für den vorgesehenen Anwendungszweck der Herstellung und Homogenisierung von Pulversuspensionen, wobei Hartmetallpulversuspensionen eingeschlossen sind, sind derartige Beschichtungen nicht abriebfest genug. Das Problem kann jedoch gelöst werden, indem entweder das gesamte Werkzeugteil - hier Rotor und Stator insgesamt - oder eine Auflage bzw. ein oberflächennaher Teil des Werkzeugteils (beispielsweise eine konische Hülse als Auflage für einen konischen, d.h. kegelstumpfförmigen Rotor oder einen hohlkegelstumpfförmigen Stator) gesondert als geformtes gesintertes Hartmetall-Vollelement hergestellt und mit einer Unterlage zu dem Werkzeugteil verbunden wird.
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Vorzugsweise werden die Hartmetallteile der Dispergiermaschine in einem Verbund mit Stahl ausgeführt, z.B. aufgeschrumpft oder aufgesintert.
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Die Dicke einer gesondert hergestellten, aufgesinterten, aufgeschrumpften oder anders verbundenen Auflage sollte wenigstens 3 mm, vorzugsweise wenigstens 10 mm und damit um ein Vielfaches dicker als eine herkömmliche Pulverbeschichtung sein. Auf diese Weise können die Werkzeugteile mehrfach nachgeschliffen werden.
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Die Vorteile dieser Ausführung bestehen in dem wesentlich geringeren Verschleiß als bei Korund- bzw. Stahlmaterialien, so dass wesentlich längere Standzeiten erzielt werden. Eine Kontamination schädlicher oxidischer, bzw. fremder metallischer Materialien tritt nicht ein.
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Weiterhin können alle Bauteile der Dispergiermaschine, die von der Suspension durchströmt werden, innen mit einer Hartmetallspritzschicht versehen sein. Die Vorteile dieser Ausführung bestehen in dem wesentlich geringeren Verschleiß, so dass beträchtlich längere Standzeiten erzielt werden.
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Die zum Arbeitsvolumen weisenden Mantelflächen von Rotor und/oder Stator können in einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung wenigstens teilweise oberflächenstrukturiert und hierfür vorzugsweise mit Nuten oder Kanälen versehen sein. Hierdurch können Einlaufkonturen bzw. Aufbauten zur Zuführung des Mahlgutes in den ringförmigen Spalt realisiert werden. Die Strukturierungen können als Modulbauteile auf die Rotoreinlaufseite aufgesetzt und mit der Antriebswelle verbunden werden.
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Besonders vorteilhaft kann ein mit einer suspensionsleitenden Oberflächenstrukturierung oder mit Leiteinrichtungen versehener Rotorkopf außerhalb des Arbeitsvolumens am Rotor lösbar befestigt sein. Auf diese Weise ist der Rotor selbst besser als geometrisch einfacher Körper darstellbar, während sich herstellungstechnisch kompliziertere Leiteinrichtungen am Rotorkopf befinden. Dies erleichtert die Flexibilität und die Handhabung der Dispergiermaschine (es können für verschiedene Bearbeitungsaufgaben unterschiedliche suspensionsleitende Köpfe vorgesehen werden) sowie die Nachschleifbarkeit des Rotorbauteils.
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Vorzugsweise verengt sich das zwischen Rotor und Stator ausgebildete Arbeitsvolumen in Suspensionsflussrichtung stetig monoton. Bei einer doppelt-konusförmigen Ausführung kann dies beispielsweise erreicht werden, indem die Konus-Steigungen von Rotor und Stator leicht verschieden voneinander gewählt werden. Der geringste Abstand zwischen Rotor und Stator befindet sich am Arbeitsraumende und sollte kleiner 3 mm, vorzugsweise kleiner 0,1 mm sein.
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In bevorzugter Ausführungsform wird zwischen Rotor und Stator als Spaltvolumen ein zylindrischer oder vorzugsweise konischer Ringspalt ausgebildet. Der konische Ringspalt ist in besonders bevorzugter Ausführung so gestaltet, dass sich ein Statorhohlkegelstumpf und ein Kegelstumpfrotor mit unterschiedlichen Neigungen der Mantelfläche gegenüberstehen. Der Spalt wird dabei in Fließrichtung der Suspension enger. Hierbei ist besonders vorteilhaft, dass sich die Spaltbreite durch Verschieben des Rotors in Longitudinalrichtung einstellen und so auf die Bearbeitungsaufgabe anpassen lässt.
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Die von der Suspension durchflossene Höhe oder Länge des Arbeitsvolumens in Fließrichtung beträgt vorzugsweise ca. 1- bis 6mal, weiter vorzugsweise 1- bis 3mal gleich dem kleinsten Durchmessers des Rotors.
Insbesondere ist das Länge-Durchmesser-Verhältnis als Quotient aus wirksamer Rotorlänge und kleinstem wirksamen Rotordurchmesser vorzugsweise größergleich 1, weiter vorzugsweise größergleich 3.
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Die langgestreckte Ausbildung der Mahlelemente in der Rotor-Stator-Einheit ermöglicht durch die signifikante Vergrößerung der wirksamen Scherfläche und damit gleichzeitig die drastische Verlängerung der Aufenthaltsdauer der Pulveragglomerate im Scherbereich eine besonders wirkungsvolle Deagglomeration der Pulversuspensionen. Damit verbessert sich die Homogenität und Verteilung pro Durchlauf, so dass die erforderliche Suspensionsgüte mit geringeren Durc hgangszahlen und damit in kürzerer Zeit erreicht wird. Verantwortlich ist dafür der wirksame Mahl- und Homogenisierungsbereich, in dem sich die Mahlelemente unmittelbar gegenüberstehen und den Scherbereich bilden. Dieser Bereich wird durch das Verhältnis von Länge des Scherbereichs zu Enlaufdurchmesser des Rotors festgelegt. Dieses Verhältnis soll größergleich 1 vorzugsweise größergleich 3 betragen. Der Einlaufdurchmesser des Rotors ist die Rotordicke unmittelbar am Übergang der Zuführungsleitflächen zum kompakten Rotor. Gleichzeitig mit den metallischen Komponenten werden vorzugsweise Presshilfsmittel und gegebenenfalls Netzmittel hinzugegeben. Bei den relativ niedrigen Temperaturen wird das Presshilfsmittel mechanisch auf die Hartmetall- oder Cermetpulver aufgebracht; durch das Netzmittel wird eine zu schnelle Separation der Suspensionsbestandteile verhindert.
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In Weiterbildung der Erfindung besitzt das Mühlenaggregat zulaufseitig einen Vorlaufbehälter für die Zuführung der zu homogenisierenden Bestandteile, vorzugsweise bereits in Form einer Suspension. Zusätzlich können Mittel für das Aufschlämmen der Suspension im Vorlaufbehälter vorhanden sein, beispielsweise wenigstens ein Rührwerk oder eine andere Mischvorrichtung.
Für die Rezirkulation der homogenisierten Suspension kann vorteilhaft wenigstens eine Rückführleitung vom Ausgang zum Zulauf der Rotor-Stator-Einheit oder in den Vorlaufbehälter vorhanden sein.
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In dieser Dispergiermaschine werden Arbeitsvolumen in den Größen von 1 bis 12 cm3 realisiert. Bei Nennleistungen von 1,8 bis ca. 10 kW resultieren daraus Leistungsdichten von ca. 800 kW/dm3. Dieser Wert liegt dennoch gegenüber der Rührwerkskugelmühle um den Faktor ca. 8000 besser. Als Leistungsdichte ist hier der Quotient aus Nennleistung und Arbeitsvolumen in kW/dm3 definiert. Im Vergleich dazu betragen die Leistungsdichten von Kugelmühlen ca. 0,03 kW/dm3, von Schwingmühlen ca. 0,06 kW/dm3 und von Attritor ca. 0,1 kW/dm3.
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Die besonderen neuen Eigenschaften der Mühle ermöglichen deren Verwendung für die Herstellung von metallischen Pulvermischungen, auch solcher, die hohen Verschleiß verursachen und/oder stark agglomeriert vorliegen. Besonders geeignet ist die Dispergiermaschine für Hartmetallpulvermischungen oder Cermetpulvermischungen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert und am Beispiel illustriert. Es zeigen:
- Fig. 1:
- Schnittansicht einer konischen Rotor-Stator-Einheit;
- Fig. 2:
- Explosionsansicht des Beispiels aus Figur 1;
- Fig. 3:
- Schnittansicht des Einlaufmodulbauteils für den Rotorkopf;
- Fig. 4:
- perspektivische Ansicht des Rotorkopfs aus Fig. 3;
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Figur 1 zeigt eine Schnittansicht einer im Ganzen mit 10 bezeichneten konischen Rotor-Stator-Einheit, dem Kernbereich einer Konusmühle. Bei dieser konischen Ausführungsform ist der Rotor 12 als Kegelstumpf, der Stator 14 gegengleich hohlkegelförmig ausgebildet und die Zuführungsleitflächen 20 für die Einleitung der Suspension sind Teil eines als Modulbauteil ausgebildeten Rotorkopfes 12A. Der Rotorkopf 12A wird auf der Rotoreinlaufseite aufgesetzt und zusammen mit dem Rotor mit der Antriebswelle verbunden. Zwischen Rotor und Stator wird manschettenförmig das Arbeitsvolumen 16 gebildet, das oben auch als Spaltvolumen, Scherspalt, Ringspalt, Rotationsvolumen bzw. Konusspaltvolumen bezeichnet wurde. Rotor und Modulbauteil werden mittels der Bohrung 18 auf der Antriebswelle (nicht gezeigt) befestigt. Der Stator 14 ist mit einem Flansch versehen, andere Einbaumöglichkeiten in das hier nicht gezeigte Mühlengehäuse sind selbstverständlich möglich und dem Fachmann geläufig. Die Strömungsrichtung geht von den Zuführungsleitflächen 20 zur Verdickung des Rotors. Der wirksame Scherbereich reicht vom Beginn des Rotors A bis zum letzten gemeinsamen Berührungspunkt von Rotor und Stator B. An B ist der Mahlspalt maßgeblich. Er soll < 3 mm, vorzugsweise < 0,1 mm sein. Das Arbeitsvolumen wird von der zu behandelnden und zu homogenisierenden Pulversuspension in Längsrichtung, also in Richtung der Antriebswelle 18 durchlaufen. Die Größe des Spaltvolumens kann an der Mühle einstellbar sein, was insbesondere bei der konischen Ausführung des Rotors besonders günstig gelingt, wenn die Spaltbreite eingestellt wird, indem der Rotor unterschiedlich weit in den Stator eingeschoben wird. Je nach Einsetztiefe verbleibt so ein schmalerer oder ein breiterer Spalt zwischen den Oberflächen.
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Figur 2 zeigt dasselbe Ausführungsbeispiel in Explosionsdarstellung. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet.
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Figur 3 zeigt das Modulbauteil, das den Rotorkopf bildet, in einer Schnittdarstellung Es besteht im Prinzip aus einer kreisrunden Platte im Durchmesser des Rotorkopfes. An zwei Seiten am Umfang sind aufragende Flächen, die Zuführungsleitflächen angebracht. In der Plattenmitte befindet sich die Bohrung zur Aufnahme auf die Antriebswelle.
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In Fig. 4 ist in leicht perspektivischer Ansicht des Rotorkopfes, der in Figur 3 in Draufsicht dargestellt ist, die Aufgabe der Leitflächen noch besser ersichtlich. Sie lenken die Suspension zum Scherspalt.
Zusammenfassung:
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Die Dispergiermaschine (Homogenisierungsmühle) dient der Herstellung und Homogenisierung von Pulversuspensionen in Mahl- oder Dispergierflüssigkeiten und besitzt im Wesentlichen ein gegengleich ausgebildetes Rotor- und Statorelement-Paar, das so geformt ist, dass sich in Arbeitsposition dazwischen ein freier konischer Spalt befindet, der durch Rotation ein entsprechendes Volumen bildet, das Arbeitsvolumen, in dem durch schnelle Rotordrehungen Scherkräfte eingebracht werden, wobei die von der Suspension durchströmte Länge des Arbeitsvolumens in Fließrichtung 1- bis 5mal dem Einlauf- bzw. Kopfdurchmesser des Rotors entspricht. Die Bauelemente Rotor und Stator sind von einfacher geometrischer Form, daher gut nachschleifbar und bestehen aus Hartmetall oder einem Hartmetall-Stahl-Verbund, während die durchströmten Maschinenbauteile innen mit einer Hartmetallbeschichtung versehen sind. Die Dispergiermaschine arbeitet vollständig ohne freibewegliche Mahlkörper. Durch die langgestreckte Form und die Beschichtung ist die Dispergiermaschine für die effektive Herstellung von homogenen Suspensionen in der Hartmetall- und Cermetherstellung besonders geeignet.
