DE19881316B4

DE19881316B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Metallpulver durch Zerstäubung

Info

Publication number: DE19881316B4
Application number: DE19881316T
Authority: DE
Inventors: Tohru Takeda; Yoshinari Tanaka; Masami Sasaki; Tokihiro Shimura; Koei Nakabayashi; Hiroyuki Azuma; Hideo Abo; Toshio Takakura; Yoshiyuki Kato
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1997-08-29
Filing date: 1998-08-25
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2018-08-26
Also published as: JP3858275B2; DE19881316T1; US6254661B1; WO1999011407A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Metallpulver durch Zerstäuben von schmelzflüssigem Metall, gekennzeichnet durch die Schritte:
Einleiten eines Stroms schmelzflüssigen Metalls durch die Mitte einer in einer Düse gebildeten Mündung, wobei die Düse einen unter der Mündung angeordneten kontinuierlichen ringförmigen Schlitz umfaßt;
Ausstossen eines umgekehrt kegelförmig ausgebildeten Flüssigkeitsstrahls aus dem Schlitz in ein unter dem Schlitz angeordnetes Ausstoßrohr;
Ansaugen von Gas durch die Düsenmündung, wobei die Mündung einen in Fließrichtung des schmelzflüssigen Metalls abnehmenden Querschnitt hat, so daß der Gasfluß am Ausgang der Mündung Schallgeschwindigkeit oder annähernd Schallgeschwindigkeit hat;
Zerteilen des schmelzflüssigen Metalls durch schlagartige Expansion des Gases in der Nähe des Ausgangs der Mündung; und
weiteres Zerteilen des zerteilten schmelzflüssigen Metalls in Feinpartikel durch den Flüssigkeitsstrahl.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Metallpulver durch Sprühen. Insbesondere soll die Erfindung kugel- oder kornförmiges Feinpulver bereitstellen, das zur Formgebung durch Metallspritzgießen für Sinterprodukte geeignet ist.

HINTERGRUND DER TECHNIK

Normalerweise wird Metallpulver durch mechanisches Mahlen, Elektrolyse, chemische Reduktion oder Sprühen hergestellt. von diesen Verfahren findet Sprühen breite Anwendung wegen der Fähigkeit zur Massenproduktion und Anwendbarkeit auf vielfältige Metalle. Sprühen, auch Zerstäuben bzw. Atomisieren genannt, ist ein Verfahren zum Pulverisieren von schmelzflüssigem Metall durch Sprühen unter Einspritzen von Gas oder Flüssigkeit in einen Abwärtsstrom aus schmelzflüssigem Metall, der aus einem kleinen Loch im Boden eines Behälters, z. B. eines Tundishs oder eines Tiegels, fließt. Bei diesem Verfahren wird Inertgas gewöhnlich als Gas verwendet, und Wasser kommt ge wöhnlich als Flüssigkeit zum Einsatz; das zuerst genannte Verfahren wird als Gaszerstäubungsverfahren bezeichnet, und das zuletzt genannte Verfahren wird Wasserzerstäubungsverfahren genannt. Dieses Verfahren ist z.B. in der DE 1 958 610 A und DE 1 458 127 C beschrieben.

Normalerweise bildet das Gaszerstäubungsverfahren kugelförmiges Metallpulver mit hoher Klopfdichte (Engl. "Tapping Density") und geringem Sauerstoffgehalt. Daher hat dieses Verfahren den Vorteil, wirksam Metalle mit hoher Affinität für Sauerstoff, z.B. Ti und Al, oder diese Metalle enthaltende Legierungen zu pulverisieren. Nachteilig bei diesem Verfahren ist aber die Schwierigkeit, feinere Teilchen als beim Wasserzerstäubungsverfahren zu erhalten, insbesondere ultrafeine Teilchen unter 10 μm, was an der kleineren Energie des Inertgases als Zerstäubungsmedium liegt. Außerdem führt der hohe Preis des Inertgases in der Regel zu hohen Kosten des Pulvers.

Andererseits erzeugt die Wasserzerstäubung gewöhnlich Teilchen mit unregelmäßiger Form und geringer Klopfdichte. Ferner führt die Reaktion zwischen dem Metall und aus dem Wasserstrahl erzeugtem Wasserdampf zur Oxidation des Metalls und Erhöhung des Sauerstoffgehalts im Pulver. Wie aber zuvor erwähnt wurde, kann durch das Wasserzerstäubungsverfahren feineres Pulver aufgrund der hohen Energie von Wasser gegenüber Gas als Zerstäubungsmedium erzeugt werden, und es hat den Vorteil, daß das produzierte Pulver infolge der Wasserverwendung billig ist.

Metallpulver wird für vielfältige Anwendungsbereiche genutzt, z. B. beim Verfahren zum Metallspritzgießen (MIM), für Verbundmaterialien, Katalysatoren, Anstrichstoffe u. a. Der Markt für diese Anwendungen hat hohen Bedarf an feinem Metallpulver in großen Mengen und zu geringen Kosten. Insbesondere verzeichnet der Markt für das MIM-Verfahren eine zunehmende Nachfrage nach billig angebotenem Feinpulver mit Kugel- oder Kornform und niedrigem Sauerstoffgehalt, während das MIM-Verfahren seit kurzem Beachtung für die Herstellung von Metallteilen mit dreidimensionalen komplizierten Formen findet. Zu diesem Bedarf gehört die Anwendung der Wasserzerstäubung zur billigen Pulverherstellung aus Metallen mit starker Affinität für Sauerstoff, z. B. das vorgenannte Ti oder Al, und auch Legierungen dieser Metalle.

Im MIM-Verfahren werden Metallerzeugnisse durch Spritzgießen von Rohmaterial (Pellets) hergestellt, die ausreichende Fließfähigkeit durch Mischen von Bindemitteln als Wachs oder thermoplastisches Harz haben, woran sich die Entfernung der Bindemittel und Sintern anschließen. Daß kugel- oder kornförmiges Pulver für das MIM-Verfahren benötigt wird, ist darin begründet, daß Pellets ausreichende Fließfähigkeit verliehen wird. Man geht davon aus, daß die Fließfähigkeit von Pellets mit zunehmender Klopfdichte von Metallpulver höher wird, und eine Pulverform mit guter kugelförmiger Gestalt erhöht wirksam die Klopfdichte (nach JIS Z 2500 ist die Klopfdichte als "Pulvermasse je Volumeneinheit in einem Behälter nach Rütteln" definiert).

Außerdem sollten im MIM-Verfahren die Bindemittel leicht entfernbar sein. Zwecks guter Fließfähigkeit und stabiler Form sind die Bindemittel gewöhnlich mit bis zu 50 bis 35 Volumenprozent in Übereinstimmung mit der Metallpulvermenge von 50 bis 65 Prozent enthalten. Da sie im Entfernungsverfahren vollständig entfernt werden müssen, muß die Menge der Bindemittel möglichst klein sein. Auch in diesem Fall ist Pulver mit Kugel- oder Kornform, d. h. hoher Klopfdichte, vorteilhaft, da die notwendige Bindemittelmenge wirksam reduziert und Zeit zur Bindemittelentfernung eingespart wird.

Ferner ist für das MIM-Verfahren Feinpulver notwendig. Allgemein steigert Feinpulver die Berührungspunkte zwischen Teilchen und läßt sich mit höherer Dichte bei geringerer Sintertemperatur sintern. Die Dichte von Metallteilen, die durch das MIM-Verfahren erzeugt werden, wird anhand der relativen Dichte bewertet. Die relative Dichte nach Sintern steigt mit sinkender Teilchengröße, so daß allgemein für MIM-Anwendungen erklärt wird, daß die mittlere Pulvergröße etwa 10 μm betragen sollte (nach JIS Z 2500 ist die relative Dichte als "Verhältnis der Dichte eines porösen Artikels bezogen auf die Dichte eines porenfreien Artikels aus den gleichen Bestandteilen" definiert).

Außerdem muß für das MIM-Verfahren der Sauerstoffgehalt im Metallpulver niedrig sein. Hoher Sauerstoffgehalt führt zur Retention von Sauerstoff als nichtmetallischer Einschluß in den durch MIM verarbeiteten Metallteilen sowie schlechten mechanischen Eigenschaften für sie.

Zusammenfassend muß Pulver für das MIM-Verfahren geringe Größe, Kugel- oder Kornform, hohe Klopfdichte und niedrigen Sauerstoffgehalt haben. Für Pulver mit unregelmäßiger Form läßt sich ausreichende Fließfähigkeit zum Spritzgießen durch Erhöhen der Bindemittelmenge erreichen, wobei aber die Kosten zur Bindemittelentfernung steigen und die Produkte keine ausreichende Homogenität des metallischen Pulvers haben, was zu schlechter Leistung führt. Zu Beginn der Entwicklung des MIM-Verfahrens wurde hauptsächlich durch das Carbonylverfahren hergestelltes Pulver aufgrund seines stabilen Angebots verwendet, wobei aber das Pulver des Carbonylverfahrens auf reines Metall wie Eisen und Nickel beschränkt war. In letzter Zeit hat mit der angestrebten Ausweitung von MIM-Produkten auf breitere Anwendungsbereiche mit der Entwicklung der MIM-Technik Pulver aus vielfältigen Legierungen, das durch Zerstäuben hergestellt wird, Beachtung als Material für das MIM-Verfahren gefunden. Wie aber zuvor dargestellt wurde, bestehen trotz der aufgrund ihrer Kugelform, ihrer hohen Klopfdichte und ihres geringen Sauerstoffgehalts gegebenen Eignung der gaszerstäubten Pulverprodukte für das MIM-Verfahren Nachteile wegen hoher Produktionskosten und der Schwierigkeit, feine Teilchen zu erhalten.

Obwohl andererseits die Wasserzerstäubung den Vorteil hat, daß sich feine Teilchen leicht erhalten lassen und die Produktionskosten niedrig sind, hat sie wegen unregelmäßiger Teilchenform und geringer Klopfdichte der Pulvererzeugnisse Probleme beim Anwenden auf das MIM-Verfahren. Problematisch bei der Verwendung eines solchen wasserzerstäubten Pulvers mit unregelmäßiger Teilchengröße im MIM-Verfahren ist, daß das Einspritzen in komplizierte Abschnitte schwierig ist. Dadurch entsteht eine Grenze für die anwendbare Größe metallischer Artikel, und die Maßgenauigkeit in den Produkten ist wegen der Ungleichmäßigkeit beim Einspritzen minderwertig.

Somit besteht Bedarf an einer Technik zur billigen Massenproduktion von Metallpulver für das MIM-Verfahren durch Wasserzerstäubung, wobei aber bisher noch kein befriedigender Verfahrensablauf zur Verfügung steht. Als Beispiel für die Herstellung von Metallpulver durch ein Sprühverfahren des Stands der Technik sei die JP-52-19540 B (Sho) "Spraying and pulverizing apparatus for molten metal" genannt. In dieser Patentveröffentlichung wird beschrieben, daß "die Erfindung die Herstellung von Metallpulver mit geeigneten Eigenschaften für die Pulvermetallurgie durch Steuern der Sprühnebelform mittels Auswahl der geeigneten Anzahl von Sprühdüsen, des Öffnungsdurchmesser der Düsen und der Oberflächenkennwerten der Führungsvorderkante für den Flüssigkeitsstrom zu den Düsenöffnung gewährleistet". Somit liegt diese frühere Erfindung in der gleichen technischen Kategorie wie die vorliegende Erfindung, zielt aber beschreibungsgemäß auf "Pulverisiervorrichtungen zum Einsatz bei der Massenproduktion von Pulver mit unregelmäßiger Form, das für die Pulvermetallurgie geeignet ist", ab. Diese frühere Erfindung enthält keinerlei Offenbarung zum technischen Aspekt in Zusammenhang mit der Herstellung von kugel- oder kornförmigem Metallpulver, was das Ziel der vorliegenden Erfindung ist.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Angesichts des dargelegten aktuellen Stands beabsichtigt die Erfindung, feine Teilchen billig durch Sprühen herzustellen. Insbesondere konzentriert sich das Augenmerk auf die kommerzielle großtechnische und kostengünstige Herstellung von Feinpulver in Kugel- oder Kornform mit niedrigem Sauerstoffgehalt, das für das MIM-Verfahren geeignet ist.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass Metallpulver zustande kommen kann, das die kombinierten Vorteile gaszerstäubter und flüssigkeitszerstäubter Produkte aufweist, indem schmelzflüssiges Metall nacheinander durch Gas und dann durch Flüssigkeit pulverisiert wird. Das heißt, dieses Verfahren kann großtechnisch und mit geringen Kosten Metallpulver herstellen, das eine feine Teilchengröße, eine Kugel- oder Kornform und einen geringen Sauerstoffgehalt hat.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittansicht eines Beispiels für die Vorrichtung der Erfindung, und 2 ist ein Diagramm zur Darstellung der Druckverteilung im Beispiel 1. 3 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von Metallpulver, das durch das Verfahren von Beispiel 1 hergestellt wurde, und 4 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von Metallpulver, das durch ein herkömmliches Verfahren hergestellt wurde.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Im Verfahren zur Herstellung von Metallpulver aus schmelzflüssigem Metall durch Sprühen erfolgt durch die Er findung ein aufeinanderfolgendes Pulverisieren von schmelzflüssigem Metall durch Gas und dann durch Flüssigkeit. Daher kann durch die Erfindung Metallpulver hergestellt werden, das die kombinierten Vorteilen von Pulvereigenschaften hat, die sowohl durch Gaszerstäubung als auch durch Wasserzerstäubung zustande kommen.
Im folgenden wird die praktische Durchführung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. 1 ist eine Querschnittansicht der Vorrichtung als Beispiel für die Erfindung. In 1 bezeichnet 1 eine Düse, die eine Mündung 2 in der Mitte hat. Unter der Düse 1 ist ein Ejektorrohr 7 längs der Achse der Mündung 2 eingebaut. Am Ausgang der Mündung 2 ist eine Prallplatte 3 mit einer kleineren Öffnung als die des Ausgangs der Mündung 2 angeordnet. An der Unterseite der Düse 1 ist ein Schlitz 4 angeordnet, um Flüssigkeit durch einen Einlaß 8 für die Flüssigkeit in die Düse einzuleiten, und ein Flüssigkeitsstrahl 6 wird durch Ausstoßen aus dem Schlitz 4 so gebildet, daß er am Konvergenzpunkt 11 des Strahls fokussiert ist bzw. zusammenläuft.
Unter Bildung des Flüssigkeitsstrahls in dieser Konfiguration wird schmelzflüssiges Metall als feiner Strom 10 aus einem flüssiges Metall enthaltenden Behälter 9 (Tundish oder Tiegel) in die Mündung 2 in der Düse 1 nach unten geführt. Danach wird durch die Wirkung von in die Düse strömendem Gas 12 das schmelzflüssige Metall in schmelzflüssige Metallteilchen im Bereich C innerhalb des Flüssigkeitsstrahls in der Umgebung des Düsenausgangs aufgespalten. Die so gebildeten schmelzflüssigen Metallteilchen werden durch den Flüssigkeitsstrahl 6 weiter aufgespalten. Durch die kontinuierliche Pulverisierungsverarbeitung durch das Gas 12 und den Flüssigkeitsstrahl 6 wird Metallpulver bereitgestellt, das Vorteile der Herstellung sowohl durch Gaszerstäubung als auch durch Wasserzerstäubung hat.
Im folgenden werden die jeweiligen Bedingungen für die Herstellung von Metallpulver durch die Erfindung erläutert. Als Art der Düse 1 empfiehlt sich zunächst die Verwendung einer Vollkegeldüse. Wenngleich vielfältige Düsenarten entwikkelt wurden, muß zur befriedigenden Durchführung der Erfin dung die Düse eine Funktion zum Aufteilen des Raums in Bereiche B und C gemäß 1 haben, wobei der aus der Düse herausgeführte Wasserstrahl durch die Wirkung des umgekehrt kegelförmigen Wasserstrahls 6 wandartig wird.
Als Düsen, die für diese Zwecke geeignet sind, gibt es eine V-förmige Düse und eine umgekehrt kegelförmige Düse. Die umgekehrt kegelförmige Düse, auch konische Kegel- oder Vollkegeldüse genannt, hat einen Schlitz mit kontinuierlicher Ringform zum Flüssigkeitsausstoß. Daher erzeugt sie einen Flüssigkeitsstrahl mit umgekehrter Kegelform, und der Druck innerhalb des umgekehrt kegelförmigen Strahls ist ein Unterdruck. Da die umgekehrt kegelförmige Düse einen höheren Unterdruck als die anderen Düsenarten erzeugt, ist sie für die Erfindung am besten geeignet. Daher werden nachfolgend in der Beschreibung die Beispiele anhand der Fälle erläutert, in denen eine umgekehrt kegelförmige Düse zum Einsatz kommt, wobei der Begriff "Vollkegeldüse" die umgekehrt kegelförmige Düse darstellt.
Gas 12 wird zusammen mit schmelzflüssigem Metall in die Mündung 2 eingesaugt, während Flüssigkeit durch die Öffnung 8 in die Düse eingeleitet wird, um einen Flüssigkeitsstrahl 6 zu erzeugen, der zum Fokuspunkt 11 zusammenläuft. Bei seinem Einströmen in die Mündung wird das Gas so gesteuert, daß es ein Laminarstrom ist und sich am Mündungsausgang 13 einer Geschwindigkeit nähert oder diese erreicht, die der Schallgeschwindigkeit entspricht. Auf diese Weise läßt sich eine Aufspaltung des Abwärtsstroms 10 aus schmelzflüssigem Metall im Bereich C innerhalb des Flüssigkeitsstrahls 6 erreichen. Hierbei bezeichnet Laminarstrom den Zustand, in dem das Gas mit nahezu gleicher Geschwindigkeit wie der Abwärtsstrom 10 des schmelzflüssigen Metalls in der Umgebung des Metallstroms fließt und mit einer höheren Geschwindigkeit an der Position fließt, die einen Abstand vom Abwärtsstrom 10 des schmelzflüssigen Metalls hat. Zur Aufrechterhaltung eines solchen Zustands sollte die Mündung 2 stromlinienförmig sein und zudem eine glatte Oberfläche zur Senkung des Widerstands gegen die Gasströmung haben.
Man geht davon aus, daß diese Aufspaltung durch das Gas durch eine abrupte Änderung des Gasstroms im Bereich C hervorgerufen wird; Gas tritt aus dem Mündungsausgang 13 mit einer zuvor genannten Geschwindigkeit aus, dehnt sich abrupt aus und kollidiert mit der Wand des Flüssigkeitsstrahls, wodurch Ausdehnungs- und Verdichtungswellen durch Reflexionsvorgänge des kollidierenden Gases erzeugt werden. Durch wiederholte Reflexionen an der Wand des Flüssigkeitsstrahls 6 induzieren Ausdehnungs- und Verdichtungswellen die Aufspaltungswirkung des Abwärtsstroms von schmelzflüssigem Metall so, als ob eine Gaszerstäubungserscheinung auftritt.
Die Wand des Flüssigkeitsstrahls 6 sollte möglichst fest sein, um die Gasreflexion im Bereich C innerhalb des Flüssigkeitsstrahls zu gewährleisten. Daher sollte die Dicke des Flüssigkeitsstrahls mindestens 50 μm betragen, und der Strom sollte möglichst gleichmäßig sein. Liegt die Dicke unter 50 μm, schreitet die Aufspaltung von schmelzflüssigem Metall nicht zufriedenstellend fort, da das Gas den Flüssigkeitsstrahl aufbricht, wodurch Ausdehnungs- und Verdichtungswellen fehlen. Auch bei nicht gleichmäßiger Wand tritt keine umfangreiche Aufspaltung von schmelzflüssigem Metall auf, da die Richtungen von reflektiertem Gas breit gestreut sind und sich die Stellen der Erzeugung von Ausdehnungs- und Verdichtungswellen verteilen.
Übersteigt die Gasgeschwindigkeit am Mündungsausgang 13 die Schallgeschwindigkeit, lassen sich auch Ausdehnungs- und Verdichtungswellen erzeugen und bewirken die Aufspaltung von schmelzflüssigem Metall. Um aber die Geschwindigkeit über der Schallgeschwindigkeit zu halten, sollte der Unterdruck im Bereich C erhöht sein, was zu einer schwierigen Steuerung des Betriebs führt. Daher braucht die Strahlgeschwindigkeit nicht unbedingt höher als die Schallgeschwindigkeit sein, sondern es reicht aus, wenn sie der Schallgeschwindigkeit nahekommt oder gleich dieser ist. Daß ein solcher Zustand erreicht ist, läßt sich leicht durch hohe Töne erkennen, mit denen die Erzeugung von Ausdehnungs- und Verdichtungswellen einhergeht.
Andererseits sollte Gas in die Mündung in einem Laminarstrom eingeleitet werden, um Störungen im Strom aus schmelz flüssigem Metall vor Ausstoßen aus dem Mündungsausgang 13 zu unterdrücken. Bei Störung des Metallstroms ist der Gasstrom selbst gestört, was zu einem ungünstigen Zustand für die Erzeugung der Ausdehnungs- und Verdichtungswellen führt.
Zur Herstellung von Metallpulvern, die dem Zweck der Erfindung entsprechen, sollte der Gasruck auf folgende Weise gesteuert sein:

a. Vom Eingang zum Ausgang der Düse wird der Gasdruck verringert.
b. Beim Austritt aus dem Düsenausgang wird der Gasdruck erhöht.
c. Der zuvor im Stadium b erhöhte Gasdruck wird auf dem Weg nach unten zu einem Konvergenzpunkt des Flüssigkeitsstrahls verringert, der durch Flüssigkeitsausstoß aus dem die Düsenunterseite umgebenden Schlitz gebildet ist.

Näher dargestellt sollte der Gasdruck so gesteuert sein, daß er vom Oberteil der Mündung 2 (der Position A in 1) zum Mündungsausgang 13 gesenkt, anschließend nach Austritt aus dem Mündungsausgang 13 abrupt erhöht und danach bis zum Konvergenzpunkt 11 des Flüssigkeitsstrahls 6 allmählich verringert wird.
Im vorgenannten Stadium a wird die Gasdrucksenkung vom Oberteil der Mündung 2 (der Position A in 1) zum Mündungsausgang 13 durch einen Saugeffekt induziert, der durch den Flüssigkeitsstrahl 6 bewirkt wird, der durch Einströmen von Flüssigkeit aus dem Einlaß 8 in die Düse und Ausstoßen aus dem Schlitz 4 gebildet ist. Um den Zweck der Erfindung zu erreichen, sollte der Gasdruck um 510 bis 30 Torr im absoluten Maßstab verringert werden. Bei geringerer Drucksenkung als 510 Torr ist die Erzeugung der Ausdehnungs- und Verdichtungswellen unbefriedigend. Andererseits ist eine Drucksenkung über 30 Torr nicht zur Erzeugung der Ausdehnungs- und Verdichtungswellen notwendig, wozu kommt, daß eine zu starke Senkung der Druckkräfte Produktionsvorrichtungen belastet. Insbesondere bei Einsatz von Wasser als Flüssigkeit ist eine Steuerung der Wasserzerstäubung notwendig, was zu hohen Anlagekosten von Vorrichtungen führt. Im Bereich zwischen 510 und 30 Torr ist dagegen ein höherer Grad der Drucksenkung empfohlen.
Im vorgenannten Stadium b geht man davon aus, daß der Druckanstieg beim Austritt aus dem Mündungsausgang 13 durch Ausdehnungs- und Verdichtungswellen bewirkt wird, die sich durch schnelle Gasausdehnung mit einer Geschwindigkeit nahe oder gleich der Schallgeschwindigkeit beim Verlassen des Mündungsausgangs 13, durch Kollision am Flüssigkeitsstrahl 6 und durch Reflexion vom Flüssigkeitsstrahl 6 bilden. Zur Realisierung des Zwecks der Erfindung sollte der Druckanstieg mindestens 50 Torr vom reduzierten Wert im Stadium a betragen.
Wird zum Beispiel der Druck im Stadium A um bis zu 100 Torr verringert, sollte der Druck im Stadium b und mindestens 150 Torr erhöht werden. Bei einer Druckdifferenz unter 50 Torr kann die Erzeugung der Ausdehnungs- und Verdichtungswellen unterdrückt sein. Allerdings sollte der Druckanstieg nicht 560 Torr im absoluten Maßstab überschreiten, da hoher Druck über 560 Torr zu schwacher Gasaufnahme führt und damit schlechte Auswirkungen auf die Aufspaltung von schmelzflüssigem Metall hat.
Der durch den vorgenannten Schritt gesteigerte Gasdruck sollte auf dem Weg zum Konvergenzpunkt 11 des Strahls in einem Bereich von mindestens 30 Torr im absoluten Maßstab gesenkt werden. Grund dafür ist, daß eine Drucksenkung unter 30 Torr die Vorrichtung gemäß der vorstehenden Darstellung belastet und besonders bei Wassereinsatz die Wasserzerstäubungsmenge gesteuert werden muß. Günstig ist dagegen eine Druckverringerung um möglichst annähernd 30 Torr.
Um diese geeigneten Bedingungen in der Erfindung zu erreichen, ist die Druckdifferenz zwischen Oberteil (Position A in 1) und Unterteil (Position B in 1) der Mündung 2 so gesteuert, daß sie mindestens 200 Torr beträgt. Die Position B in 1 liegt innerhalb des Ejektorrohrs 7 und außerhalb des Flüssigkeitsstrahls 6. Durch Aufrechterhalten einer Druckdifferenz über 200 Torr zwischen Ober- und Unterteil der Mündung 2 wird Gas (gewöhnlich Luft, aber für die Herstellung von Pulver mit besonders niedrigem Sauerstoffgehalt auch Inertgas wie Stickstoff oder Argon) in einem Laminar strom so beschleunigt, daß es eine so hohe Geschwindigkeit wie die Schallgeschwindigkeit erreicht. Damit werden am Ausgang 13 der Mündung 2 Ausdehnungs- und Verdichtungswellen erzeugt, um heftige Druckänderungen zu bewirken, die eine turbulente Strömung induzieren. Das Gas, das in einen turbulenten Strom überführt wurde und Gaszerstäubungswirkungen zeigt, fließt durch Saugwirkung zum Konvergenzpunkt 11 des Flüssigkeitsstrahls mit wiederholt gedämpften Schwingungen.
Zur Erfüllung der Bedingung einer Druckdifferenz von mindestens 200 Torr sollten vielfältige Faktoren optimiert sein, z. B. Düsengröße, Flüssigkeitsmenge, Anfangsdruck der Flüssigkeit und Ejektorrohrgröße. Bei Einsatz einer Vollkegeldüse, bei der die Wasserzerstäubung mit Luft als Gas und Wasser als Flüssigkeit erfolgt, sollte ein Schlitzdurchmesser der Vollkegeldüse in einem Bereich zwischen 40 und 170 mm, vorzugsweise zwischen 50 und 150 mm liegen, ein Spitzenwinkel 5 des Flüssigkeitsstrahlkegels sollte in einem Bereich zwischen 10 und 80 Grad, vorzugsweise zwischen 15 und 40 Grad liegen, und folglich sollte die Seitenfläche des Flüssigkeitsstrahlkegels mindestens 0,006 m² betragen und vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,006 und 0,1 m² liegen.
Durch Beibehalten der Druckdifferenz von mindestens 200 Torr wird ein Raum zum Aufspalten von schmelzflüssigem Metall durch Gas gewährleistet. Zudem wird eine Saugwirkung des Gases durch die Flüssigkeit aufrechterhalten, da diese Wirkung proportional von der Seitenfläche des Flüssigkeitsstrahls abhängt. Somit fördert die Druckdifferenz die Aufspaltung von schmelzflüssigem Metall in der Umgebung der Mündung 2 und unterstützt zudem die Aufspaltung der Teilchen aus schmelzflüssigem Metall in feine Teilchen durch unmittelbare Aufnahme in den Flüssigkeitsstrom.
Zur Herstellung von Metallpulver durch Wasserzerstäubung mit Luft als Gas und Wasser als Flüssigkeit und der die genannten Anforderungen erfüllenden Vollkegeldüse muß der Wasserdurchfluß in einem Bereich von 300 bis 1000 l/min und der Wasserdruck auf mindestens 200 kp/cm² gesteuert sein. Außerdem sollte das Ejektorrohr 7 einen Durchmesser von mindestens dem 1,5fachen der Öffnung der Mündung 2 und eine Länge haben, die gleich oder größer als die Höhe L des Flüssigkeitsstrahlkegels ist.
Liegt der Wasserdurchfluß unter 300 l/min, läßt sich kein ausreichendes Saugen von Gas erhalten. Liegt dagegen der Wasserdurchfluß über 1000 l/min, kann kein weiterer Drucksenkungseffekt erhalten werden. Da zudem ein Wasserdruck unter 200 kp/cm² keine ausreichende Gassaugwirkung erzeugt, sollte der Wasserdruck mindestens 200 kp/cm² betragen.
Der Grund dafür, warum das Ejektorrohr 7 eine mindestens 1,5 mal so große Öffnungsgröße wie die Öffnung der Mündung 2 hat und seine Höhe gleich oder größer als die Höhe L des Flüssigkeitsstrahlkegels ist, besteht im Verhindern eines Rückflusses von aufgespaltenem schmelzflüssigem Metall zum Mündungsausgang 13 durch Aufrechterhalten der notwendigen Gassaugwirkung. In der Erfindung, bei der Metallpulver durch Wasserzerstäuben unter Einsatz der beschriebenen Ausrüstungen und Bedingungen mit Luft als Gas und Wasser als Flüssigkeit hergestellt wird, wird durch Berührung mit schmelzflüssigem Metall auftretender Wasserdampf durch den sehr starken Saugeffekt in den Flüssigkeitsstrahl eingesaugt. Dadurch wird Oxidation von schmelzflüssigem Metall durch Wasserdampf unterdrückt, und das Metallpulver hat einen niedrigen Sauerstoffgehalt.
Durch Anordnen einer Prallplatte 3 am Mündungsausgang 13, die eine kleinere Öffnung als die Mündung 13 hat, erhöht sich zudem die Gasstromgeschwindigkeit am Mündungsausgang 13. Dies fördert die Bildung der Ausdehnungs- und Verdichtungswellen im Bereich C innerhalb des Flüssigkeitsstrahls 6, wodurch sich die Stelle stabilisiert, an der das schmelzflüssige Metall durch Gas aufgespalten wird.
Was den Abwärtsstrom 10 aus schmelzflüssigem Metall betrifft, so ist die Menge des Stroms proportional zum Quadrat des Durchmessers des Abwärtsstroms 10 als freier Strom. Da die Menge des Stroms direkt die rationelle Herstellung beeinflußt, ist ein großer Durchmesser des Abwärtsstroms aus Sicht der Massenherstellung empfohlen, obgleich der optimale Durchmesser von Menge und Druck der Flüssigkeit sowie von der Mündungsgröße abhängt.
Wie erläutert wurde, kann durch die Erfindung Metallpulver zustande kommen, das die kombinierten Vorteile gaszerstäubter und flüssigkeitszerstäubter Produkte aufweist, indem schmelzflüssiges Metall nacheinander durch Gas und dann durch Flüssigkeit pulverisiert wird. Das heißt, dieses Verfahren kann großtechnisch und mit geringen Rosten Metallpulver herstellen, das eine feine Teilchengröße, eine Kugel- oder Kornform und einen geringen Sauerstoffgehalt hat.
Als Flüssigkeit außer Wasser können in der Erfindung öle, z. B. Mineralöle, tierische oder pflanzliche öle, und organische Flüssigkeiten, z. B. Alkohol, zum Einsatz kommen. Außerdem kann im Wasser für den Flüssigkeitsstrom ein Zusatzstoff oder Kombinationen aus Zusatzstoffen enthalten sein, z. B. Kohlenstoff, Alkohol und Antioxidationsmittel (organische oder anorganische).
Als Gas können neben Luft Inertgase eingesetzt werden, z. B. Stickstoff und Argon. Günstig sind die Inertgase bei Herstellung von Pulver aus Metallen mit starker Affinität für Sauerstoff oder Pulver aus Legierungen, die solche Metalle enthalten, sowie bei notwendiger Steuerung des Sauerstoffgehalts im Metallpulver.
Beim herkömmlichen Wasserzerstäuben oxidiert durch den Wasserstrahl auftretender Wasserdampf Metallteilchen und erhöht den Sauerstoffgehalt im Pulver. Wie zuvor erwähnt, wird aber in der Erfindung gebildeter Wasserdampf zusammen mit Gas durch den Ejektoreffekt in den Wasserstrahl gesaugt, wodurch Oxidation durch Wasserdampf minimiert ist. Da beschreibungsgemäß außerdem Luft durch Inertgas ersetzt werden kann, reduziert sich der Sauerstoffgehalt, weshalb Pulver aus Metallen mit starker Affinität für Sauerstoff oder Pulver aus Legierungen, die solche Metalle enthalten, mit geringen Kosten durch das Wasserzerstäubungsverfahren hergestellt werden können, was früher als unmöglich galt.
Zu Metallpulver, das durch die Erfindung hergestellt werden kann, gehören rostfreie Stähle, magnetische Legierungen, z. B. Permendur, Permalloy, Sendust, Alnico und Ferrosilicium, Maschinenbaustähle und Werkzeugstähle. Möglich ist ferner die Pulverherstellung aus Ni, Ni-Legierungen, Co, Co- Legierungen, Cr, Cr-Legierungen, Mn, Mn-Legierungen, Ti, Ti-Legierungen, W, W-Legierungen u. a.
Durch die Erfindung läßt sich die Ausbeute des Feingrößenanteils im hergestellten Pulver verbessern. Aufgrund der minimierten Größenabweichung von Teilchen kann zudem das Pulver direkt für das MIM-Verfahren und pulvermetallurgische Verfahren ohne Sieben zum Einsatz kommen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen und herkömmlichen Verfahren näher beschrieben.
BEISPIEL 1
Hergestellt wurde eine Vollkegeldüse mit einer Mündungsöffnung von 40 mm, einem Schlitzdurchmesser von 55 mm und einem Spitzenwinkel des Flüssigkeitsstrahlkegels von 30 Grad. An dieser Düse wurde ein Ejektorrohr mit einer Öffnung von 90 mm und einer Länge von 2000 mm befestigt. Rostfreier Stahl SUS 316L wurde unter Betriebsbedingungen mit einem Wasserdurchfluß von 390 l/min und einem Wasserdruck von 950 kp/cm² zerstäubt. Schmelzflüssiges Metall mit einem Durchmesser von 7 mm wurde frei herabfließen gelassen.
Beim Betrieb unter diesen Bedingungen betrug der Absolutdruck am Punkt B in 1 200 Torr, und die Druckdifferenz zwischen Punkt A und Punkt B betrug 560 Torr. Die Druckverteilung vom Punkt A zum Konvergenzpunkt 11 des Wasserstrahls ist in 2 gezeigt. Daraus geht hervor, daß der Druck von 760 Torr am Punkt A in 1 auf etwa 460 Torr am Mündungsausgang sinkt, dann abrupt auf etwa 160 Torr unmittelbar nach Austreten aus dem Mündungsausgang abfällt und sich anschließend bis zum Erreichen des Konvergenzpunkts des Strahls verringert.
Das in diesem Beispiel hergestellte Metallpulver hatte einen mittleren Durchmesser von 16,7 μm. 3 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des in diesem Beispiel erhaltenen Metallpulvers. Im Vergleich zu 4, in der das durch ein herkömmliches Wasserzerstäubungsverfahren erzeugte Metallpulver gezeigt ist, zeigt 3 deutlich eine große Menge von Teilchen mit Kugelform. Der Anteil von Metallteilchen mit höchstens 10,0 μm betrug 32,6 %, und bei Pulvertrennung, die einer Anwendung auf das MIM-Verfahren gemäß den Bedingungen von Tabelle 1 entsprach, betrug die für das MIM-Verfahren geeignete Pulverausbeute 63,6 %. Die Klopfdichte des Pulvers betrug 4,34 g/cm³, und der Sauerstoffgehalt betrug 0,37 %.
Tabelle 1
BEISPIEL 2
Hergestellt wurde eine Vollkegeldüse mit einer Mündungsöffnung von 100 mm, einem Schlitzdurchmesser von 70 mm und einem Spitzenwinkel des Flüssigkeitsstrahlkegels von 30 Grad. An der Düse wurde ein Ejektorrohr mit einer Öffnung von 125 mm und einer Länge von 2000 mm befestigt. Rostfreier Stahl SUS 316L wurde unter Betriebsbedingungen mit einem Wasserdurchfluß von 750 l/min und einem Wasserdruck von 470 kp/cm² zerstäubt. Schmelzflüssiges Metall mit einem Durchmesser von 7 mm wurde frei herabfließen gelassen.
Um in diesem Beispiel die Wirkung der Prallplatte am Mündungsausgang zu untersuchen, wurde ein Leistungsvergleich mit und ohne Verwendung einer Prallplatte mit 50 mm Öffnung angestellt.
Im Fall mit der Prallplatte betrug der Absolutdruck am Punkt B in 1 60 Torr, und die Druckdifferenz zwischen Punkt A und Punkt B betrug 700 Torr; während ohne Prallplatte der Absolutdruck am Punkt B 130 Torr betrug und die Druckdifferenz zwischen Punkt A und Punkt B 630 Torr betrug.
Das in diesem Beispiel hergestellte Metallpulver hatte einen mittleren Durchmesser von 18,7 μm mit Verwendung der Prallplatte und 22,0 μm ohne Verwendung der Prallplatte. Der Anteil der Teilchen mit höchstens 10 μm betrug 25,0 % mit der Prallplatte, während er 20,4 % ohne die Prallplatte betrug. Bei Trennung von Pulver, das die Bedingungen von Tabelle 1 erfüllt, betrug seine Ausbeute 45,5 % mit Verwendung der Prallplatte und 34,4 % ohne Verwendung der Prallplatte. Die Klopfdichte betrug 4,41 g/m³ und 4,34 g/cm³ und der Sauerstoffgehalt 0,35 % und 0,36 % mit bzw. ohne Verwendung der Prallplatte. Daraus zeigt sich, daß die Verwendung der Prallplatte vorteilhaft ist.
BEISPIEL 3
Das Zerstäuben von Stahl SCM 415 erfolgte unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1. In diesem Fall betrug der Absolutdruck am Punkt B in 1 210 Torr, und die Druckdifferenz zwischen Punkt A und Punkt B betrug 550 Torr.
Das in diesem Beispiel hergestellte Metallpulver hatte einen mittleren Durchmesser von 17,6 μm. Der Anteil der Teilchen mit höchstens 10 μm betrug 27,8 %. Bei Trennung von Pulver, das die Bedingungen von Tabelle 1 erfüllte, betrug die Ausbeute 52,3 %. Die Klopfdichte betrug 4,68 g/cm³, und der Sauerstoffgehalt betrug 0,40 %. Durch diese Beispiel wurde die Zerstäubbarkeit von Baustählen nachgewiesen.
BEISPIEL 4
Hergestellt wurde eine Vollkegeldüse mit einer Mündungsöffnung von 40 mm, einem Schlitzdurchmesser von 100 mm und einem Spitzenwinkel des Flüssigkeitsstrahlkegels von 30 Grad. An der Düse wurde ein Ejektorrohr mit einer Öffnung von 125 mm und einer Länge von 2000 mm befestigt. Rostfreier Stahl SUS 316L wurde unter Betriebsbedingungen mit einem Wasserdurchfluß von 810 l/min und einem Wasserdruck von 950 kp/cm² zerstäubt. Schmelzflüssiges Metall mit einem Durchmesser von 7 mm wurde frei herabfließen gelassen. In diesem Fall betrug der Absolutdruck am Punkt B in 1 70 Torr, und die Druckdifferenz zwischen Punkt A und Punkt B betrug 690 Torr.
Das in diesem Beispiel hergestellte Metallpulver hatte einen mittleren Durchmesser von 11,0 μm. Der Anteil der Teilchen mit höchstens 10 μm betrug 44,6 %. Bei Trennung von Pulver, das die Bedingungen von Tabelle 1 erfüllte, betrug die Ausbeute 100 %. Die Klopfdichte betrug 4,30 g/cm³, und der Sauerstoffgehalt betrug 0,33 %.
VERGLEICH MIT DEM HERKÖMMLICHEN VERFAHREN
Zum Einsatz kam eine bündelartige Düse, bei der 24 Düsen um die Achse eines feinen Abwärtsstroms des schmelzflüssigen Metalls angeordnet waren, und Bündelstrahlen aus den Düsen wurden zu einem Punkt auf der Achse zusammengeführt. Die Zerstäubung von rostfreiem Stahl SUS 316L erfolgte bei einem Wasserdurchfluß von 750 l/min und einem Wasserdruck von 470 kp/cm², was Beispiel 2 glich. Schmelzflüssiges Metall mit einem Durchmesser von 7 mm wurde frei herabfließen gelassen.
Das in diesem Vergleichsbeispiel hergestellte Metallpulver hatte einen mittleren Durchmesser von 29,9 μm. Der Anteil von Teilchen mit höchstens 10 μm betrug 10,0 %. Bei Trennung von Pulver, das die Bedingungen von Tabelle 1 erfüllte, betrug die Ausbeute 16,4 %. Die Klopfdichte betrug 3,76 g/cm³ und der Sauerstoffgehalt 0,45 %. Dieses Ergebnis zeigt eine kleiner Ausbeute, eine geringere Klopfdichte und einen höheren Sauerstoffgehalt als das Ergebnis von Beispiel 2. Wie zuvor erwähnt wurde, ist ferner offensichtlich, daß in der rasterelektronenmikroskopischen Aufnahme von 4 Teilchen mit unregelmäßiger Form vorherrschen.
GEWERBLICHE ANWENDUNG
Die Erfindung stellt Möglichkeiten zur Metallpulverherstellung mit kombinierten Vorteilen von sowohl gaszerstäubten als auch flüssigkeitszerstäubten Produkten in großer Menge und mit niedrigen Rosten bereit. Die Erfindung verbessert die Größengenauigkeit der aus Metallpulver hergestellten Artikel, erhöht die großtechnische Produktivität, trägt zur Kostensenkung bei und stärkt somit die Wettbewerbsposition gegenüber anderen Herstellungsverfahren. Da Pulver mit niedrigem Sauerstoffgehalt verfügbar ist, verbessern sich mechanische und magnetische Produkteigenschaften. Metall- oder Legierungserzeugnisse, die wegen eines fehlenden geeigneten Pulvers als Ausgangsmaterial nicht aus Pulver produziert werden konnten, lassen sich in Konkurrenz zu anderen Massenverfahrensprodukten aus Pulver herstellen. Damit erweitert die Erfindung wirksam den Einsatz von Metallpulver und die Nachfrage danach und trägt zur Innovation von Produktionsverfahren, Ko stenreduzierung und Entwicklung neuer Anwendungen in der pulvermetallurgischen Industrie bei.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Metallpulver durch Zerstäuben von schmelzflüssigem Metall, gekennzeichnet durch die Schritte: Einleiten eines Stroms schmelzflüssigen Metalls durch die Mitte einer in einer Düse gebildeten Mündung, wobei die Düse einen unter der Mündung angeordneten kontinuierlichen ringförmigen Schlitz umfaßt; Ausstossen eines umgekehrt kegelförmig ausgebildeten Flüssigkeitsstrahls aus dem Schlitz in ein unter dem Schlitz angeordnetes Ausstoßrohr; Ansaugen von Gas durch die Düsenmündung, wobei die Mündung einen in Fließrichtung des schmelzflüssigen Metalls abnehmenden Querschnitt hat, so daß der Gasfluß am Ausgang der Mündung Schallgeschwindigkeit oder annähernd Schallgeschwindigkeit hat; Zerteilen des schmelzflüssigen Metalls durch schlagartige Expansion des Gases in der Nähe des Ausgangs der Mündung; und weiteres Zerteilen des zerteilten schmelzflüssigen Metalls in Feinpartikel durch den Flüssigkeitsstrahl.
Verfahren zur Herstellung von Metallpulver durch Zerstäuben von schmelzflüssigem Metall nach Anspruch 1, wobei die Flüssigkeit mit einer Fließgeschwindigkeit von 300 bis 1000 l/Min ausgestossen wird und der Flüssigkeitsdruck nicht weniger als 200 kgf/cm² beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner die Erhöhung der Geschwindigkeit des die Mündung verlassenden Gases durch Vorsehen einer Prallplatte am Ausgang der Mündung umfaßt, wobei die Prallplatte eine Öffnung umfaßt, deren Durchmesser geringer ist als der Durchmesser der Mündung am Ausgang.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdruck entlang der Mündung vom Eingang der Mündung bis zum Ausgang der Mündung abnimmt, der Gasdruck beim Verlassen des Ausgangs der Mündung ansteigt, und der erhöhte Gasdruck dann abnimmt, bis ein Konvergenzpunkt eines Flüssigkeitsstrahls von umgekehrt kegelförmigem Fluß erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckabnahme des Gases vom Eingang der Mündung bis zum Ausgang der Mündung mindestens 200 Torr beträgt.
Vorrichtung zur Herstellung von Metallpulver durch Zerstäuben von schmelzflüssigem Metall, umfassend eine Düse, die eine Mündung zum Durchfluß des schmelzflüssigen Metalls und einen kontinuierlichen, ringförmigen unter der Mündung befindlichen Schlitz aufweist, und ein unter dem Schlitz befindliches Ausstoßrohr, wobei ein umgekehrt kegelförmiger Flüssigkeitsstrahl aus dem Schlitz in das Ausstoßrohr ausgestoßen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz einen Durchmesser von 40 bis 170 mm hat, der umgekehrte Kegel des Flüssigkeitsstrahls einen Scheitelwinkel von 10 bis 80 Grad hat, das Ausstoßrohr einen Durchmesser hat, der nicht weniger als 1,5 mal so groß ist wie der Durchmesser des Ausgangs der Mündung, das Ausstoßrohr eine Länge hat, die nicht weniger als die Höhe des Kegels des Flüssigkeitsstrahls beträgt, und die Mündung einen in Fließrichtung des schmelzflüssigen Metalls abnehmenden Querschnitt hat, so daß der Gasfluß am Ausgang der Mündung Schallgeschwindigkeit oder annähernd Schallgeschwindigkeit hat.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner eine am Ausgang der Mündung angeordnete Prallplatte umfaßt, wobei die Prallplatte eine Öffnung aufweist, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser der Mündung am Ausgang ist.