DE2523049A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines aggregationsmaterials - Google Patents

Description

PATLAVV Mü,V

C-507,676

Caterpillar Tractor Co., Peoria, Illinois 61602, U.S.A.

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Aggregationsmaterials .

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Aggregationsmaterials und auf eine Vorrichtung insbesondere zur Durchführung des genannten Verfahrens. Durch die Pulvermetallurgie werden zahlreiche Körper oder Artikel in wirtschaftlicher Weise hergestellt, wobei relativ feine Pulver in die gewünschte Gestalt unter Verwendung einer Form gepreßt werden, worauf dann die Pulver auf verhältnismäßig hohe Temperatoren erhitzt werden. Die durch pulvermetallurgische Verfahren erzeugten Körper besitzen eine Qualität und Festigkeit, die im wesentlichen von den Eigenschaften der verwendeten Pulver abhängen. Die wichtigsten Eigenschaften dieser Pulver sind: Teilchengröße (Korngröße), Größenverteilung, Teilchenform und Reinheit.

Insbesondere Metallpulver werden auf verschiedene Weisen hergestellt und das ausgewählte Herstellungsverfahren hängt von

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den gewünschten Eigenschaften sowie der speziellen Metallzusammensetzung ab. Zu diesen Herstellungsverfahren gehören beispielsweise die folgenden: Reduktion von Oxyden oder Erzen? elektrolytische Abscheidung; Mahlen in einer Mühle; thermische Zersetzung von Karbonylen; Atomisierung und dergleichen. Im allgemeinen sind die durch diese Verfahren hergestellten Pulver teilweise oxydiert, oder aber sie sind verhältnismäßig verunreinigt, und zwar trotz der Verwendung von immer ausgeklügelteren Herstellungsverfahren.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß diese Verfahren verhältnismäßig ungeeignet sind, um ein Pulver zu erzeugen, bei welchem die einzelnen Teilchen eine reine Legierungszusammensetzung besitzen. Um dieses letztgenannte Problem zu umgehen, nimmt die Industrie dazu Zuflucht, proportional verteilte Pulver zu vermischen, die gesonderte physikalische Eigenschaften besitzen, wobei darauf vertraut wird, daß der Sinterprozess die gewünschte Wechselwirkung erzeugt.

Das Fließvermögen des Pulvers ist ebenfalls äußerst wichtig. Die einzelnen Teilchen des Pulvers müssen bei Druckanwendung ohne weiteres fließen, damit die Ecken der Form im wesentlichen vollständig gefüllt werden, und um auch eine homogene Struktur mit einem Minimum an Leerräumen zu erhalten. Bislang wurden in der Industrie allgemein sphärische (kugelförmige) Teilchen bevorzugt, da die Endfestigkeit des Körpers im wesentlichen direkt mit der Dichte zusammenhängt, und da die Theorie vertreten wird, daß kugelförmige Teilchen aneinander leichter vorbeigleiten. Um jedoch die Leerräume zwischen den Teilchen zu vermindern, wird eine Vielzahl von unterschiedlichen Durchmesser aufweisenden Teilchen verwendet, was ein gründliches Mischen erforderlich macht, wenn man versucht, optimale Dichte zu erhalten. Trotz dieser Bemühungen hinsichtlich der Verbesserung der Verteilung von sphärischen Teilchen ist es noch immer schwierig, eine hinreichend hohe Dichte zu erhalten, um die gewünschte Festigkeit beim fertigen Körper zu gewährleisten.

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Als Beispiele für die komplizierten Versuche zur Lösung der genannten Probleme bei der wirtschaftlichen Herstellung von relativ reinen Legierungspulvern, die leicht verdichtet werden können, sei auf folgende U.S. Patent hingewiesen: 2 853 767, 3 325 277 und 3 591 362. Keines dieser bekannten Verfahren löst jedoch die oben erwähnten Probleme vollständig. Beispielsweise wird bei dem im US Patent 3 325 277 beschriebenen Atomisierungsverfahren geschmolzenes Eisen durch die Schwerkraft in einem Strom von einem Gießgefäß geliefert und Wasser trifft darauf auf, was das geschmolzene Metall in Teilchen zerlegt. Es ist dabei nachteilig, daß eine beträchtliche Wärmemenge erforderlich ist, um die Schmelze aufrechtzuerhalten, und daß die Zeitperiode vom festen Zustand in den flüssigen Zustand und in den teilchenförmigen festen Zustand so groß ist, daß Oxydations- und Abbauprobleme auftreten.
Ein anderes verhältnismäßig teures Verfahren zur Herstellung von Pulver wird als ein "spinning electrode"-Verfahren bezeichnet, wobei, ein elektrischer Bogen zwischen einer zylindrischen zu schmelzenden Stange und einer entgegengesetzt angeordneten stationären Wolframelektrode erzeugt wird. Die Stange wird mit einer hohen Geschwindigkeit gedreht und Tröpfchen laufen von der Schmelze aus nach aussen und bilden im allgemeinen verfestigte kugelförmige Teilchen, bevor sie in einer großen Kammer gesammelt werden. Diese Vorrichtung macht eine verhältnismäßig komplizierte Einrichtung erforderlich und es ist ferner notwendig, daß das zu schmelzende Material ein elektrisch leitendes Material ist. Die Erfindung sieht ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur wirtschaftlichen Herstellung eines zur Herstellung von Pulver geeigneten Aggregationsmaterials bzw. des Pulvers vor, welches überlegene Verdichtungseigenschaften bei Anwendung in Pulvermetallurgie verfahren besitzt.

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur wirtschaftlichen Herstellung eines Aggregationsmaterials anzugeben, welches zur Verwendung bei der Herstellung eines relativ feinen Metallpulvers von hoher Qualität und minimaler Oxydation oder anderer Abbauerschei-

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nungen geeignet ist, Die Eriindimcj 5:o':v; ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung vor, die ein Aggregationsmaterial liefern, bei welchem die einzelnen Teilchen c-i-s einem Verratsmaterial bestehend aus einem einzigen Element eier einer Vielzahl von legierungsbildencen Elementen bestehen können. Zur Erreichung der genannten Ziele sieht die Erfindung insbesondere die in den Ansprüchen genannten Maßnahmen vor.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines verbesserten Aggregationsmaterials aus einer länglichen festen Stange unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei aus Gründen der Darstellung ein Teil weggebrochen ist;

Fig. 2 eine fotomikrographise Darstellung einer Anzahl von verschiedene Größen aufweisenden Teilchen, die gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Verfahren sowie der Vorrichtung hergestellt sind, und zwar beträgt die Vergrößerung annähernd das 2 5-fache der tatsächlichen Größe, wobei die gewünschte unregelmäßig Form der Teilchen dargestellt ist;

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das Ende einer festen Stange und ein Strahl elektromagnetischer Energie dargestellt sind,wobei letzterer longitudinal auf die Stange auftrifft.

Zunächst sei das in Fig. 1 dargestellte Grundausführungsbeispiel beschrieben. Eine das erfindungsgemäße Verfahren verwendende Vorrichtung IC zur Erzeugung verbesserten Aggregationsmaterials weist ein zylindrisches Gehäuse 12 mit einer Längsachse 14 sowie einem Paar mit seitlichem Abstand angeordneten Endwänden 16 und 18 auf, die eine im wesentlichen geschlossene Arbeitskammer 19 bilden. Ferner ist ein Paar aus Strahlein- ;trahlau^tritcs-öffnungea oder Fenstern 20 und 22

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aus durchscheinendem Material einzeln in Querrichtung zentriert in den Endwänden längs der Achse ausgebildet. Das Gehäuse besitzt eine Vielzahl von mit Umfangsabstand angeordneten Öffnungen 24, 26, 28 und 30, die sich im wesentlichen mittig zwischen den Enden des Gehäuses erstrecken. Eine verhältnismäßig große Teilchensammeiöffnung 32 ist im wesentlichen mittig im Boden des Gehäuses und in direkter Verbindung mit einem trichterförmigen Teilchensammelrohr 34 angeordnet, welches einstückig vom Gehäuse aus sich nach unten erstreckt.

Das Gehäuse 12 ist im wesentlichen horizontal auf einer Grundplatte 36 gehaltert, und zwar durch ein Paar von mit seitlichem Abstand angeordneten aufrechten Befestigungsbügeln 38. Ein Teilchensammelkasten 40 ist entfernbar an der Basisplatte mittig unterhalb des Gehäuses und im wesentlichen direkt unterhalb des Teilchensammeirohrs 34 befestigt.

Zum Zwecke des Schmelzens von Material weist die Vorrichtung 10 einen im wesentlichen kollimierten Strahl von kohärenter elektromagnetischer Energie, wie beispielsweise einen Laserstrahl 42, auf. Der Laserstrahl wird von einer nicht gezeigten geeigneten Quelle aus im wesentlichen horizontal längs der Mittelachse 14 des Gehäuses 12 durch das Fenster 20 projiziert, wie dies durch die gestrichelten Linien dargestellt ist. Der Laserstrahl setzt seinen Lauf in die Arbeitskammer . 19 hinein fort und erzeugt eine äußerst heisse Wärmewechselwirkungszone oder Schmelzzone 44 im wesentlichen mittig darinnen. Man erhält ein wirkungsvolles Schmelzens des Versorgungsmaterials bei Verwendung eines Laserstrahls mit einem im wesentlichen runden Strahlquerschnittsmuster von annähernd 0,072 Zoll (0,183 cm) im Durchmesser, und bei einem Leistungsniveau von annähernd 4000 Watt an der Schmelzzone. Dies ergibt ein größenmäßig umgerechnetes Leistungsdichteniveau von annäherend 1 Million Watt pro Quadratzoll (152 000 Watt pro Quadratzentimeter). Jeder nicht blockierte Teil des Laserstrahls verläßt die

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Kammer durch das zweite Fenster 22, um auf eine Wärmeabsorptionsvorrichtung 46 aufzutreffen. Vorzugsweise ist die Wärmeabsorptionsvorrichtung durch ein Strömungsmittel gekühlt, wie beispielsweise durch ein Paar von Wasserleitungen 48, die kontinuierlich Wasser hindurchzirkulieren.

Durch die Öffnung 26 im Gehäuse 12 erstreckt sich eine rohrförmige Materialführung 50, die auf diese Weise verhältnismäßig starr gehaltert ist und quer zur Achse 14 verläuft. Die Führung nimmt eine längliche flexible Metallstange 52 aus festem (solidem) Vorratsmaterial gleitend auf, wobei dieses Material fortlaufend geschmolzen werden soll. Diese Stange ist im vorliegenden Beispiel ein solider Flußeisendraht von 0,045 Zoll (0,114 cm) Durchmesser. Ein äußeres Ende 54 der Stange wird kontinuierlich zum Zwecke des Verbrauchs in die Schmelzzone 44 eingespeist, und zwar durch eine Zuführvorrichtung 56, die ein oder mehrere Paare von Stangeneingriffs-Antriebsrollen 58 aufweist, die durch einen einstellbaren, eine veränderbare Drehzahl aufweisenden Motor 60 angetrieben sind. Die Zuführvorrichtung ist zusammen mit einem Rollentragständer 62 und einer Materialhalterolle 64 in geeigneter Weise an einer erhöhten Plattform 66 in der Weise befestigt, daß die Metallstange im wesentlichen horizontal und quer durch die Führung 50 der Schmelzzone mit einer Geschwindigkeit von 25 bis 50 Zoll pro Minute (1 bis 2 cm pro Sekunde) zugeführt wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 verwendet ferner eine Gastransportleitung 68, um ein inertes Gas, wie beispielsweise Argon oder Helium oder eine Kombination dieser Gase, in die Arbeitskammer 19 zu leiten, um so darin im ganzen eine Schutzatmosphäre zu erzeugen. Diese Leitung ist im wesentlichen vertikal bezüglich der Schmelzzone 44 ausgerichtet und abdichtend im Gehäuse 12 gehaltert und erstreckt sich durch die Öffnung 24. Die Leitung weist an ihrem unteren Ende eine Düse 70 auf, um die Gasgeschwindig-. keit zu erhöhen, wenn dieses auf das Ende 54 der Metallstange

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52 auftrifft, die gleichzeitig fortlaufend durch den Laserstrahl 42 geschmolzen wird. Auf diese Weise treibt das eine verhältnis^"ßig hohe Geschwindigkeit besitzende Argongas, welches unter einem Druck von annähernd 50 psig (3,5 kg

pro cm ) Druck steht, eine Vielzahl von relativ fein verteilten Tröpfchen 72 vom geschmolzenen Ende der Stange weg, und zwar im allgemeinen nach unten in einer relativ engen divergierenden konischen Bahn, wie dies im ganzen durch das Bezugszeichen 73 angedeutet ist.

Gemäß der Erfindung weist die Vorrichtung 10 ferner eine verhältnismäßig kalte geneigte Sperrplatte 74 auf, die unter einem Winkel von annähernd 45 gegenüber einer Horizontalebene gehaltert und im wesentlichen mittig unterhalb der Schmelzzone 44 angeordnet ist. Die Platte ist in der Bahn der Tröpfchen 72 mit einem vorbestimmten Abstand von annähernd 12 bis 15 Zoll (30 bis 40 cm) unterhalb der Schmelzzone angeordnet, wobei die Platte eine untere Kante 76 aufweist, die direkt oberhalb der Teilchensammeiöffnung 32 angeordnet ist.

Durch die Öffnungen 28 und 30 im Gehäuse 12 verläuft ein Paar von Wasserrohren 78, wobei diese Rohre mit der Sperrplatte 74 verbunden sind, um Kühlwasser kontinuierlich hindurchzuleiten. Die Sperrplatte besteht vorzugsweise aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise aus Kupfer. Die feinen Tröpfchen 72 treffen somit auf die Sperrplatte auf und verfestigen sich zu einem verbesserten Aggregationsmaterial aus einer Vielzahl von unregelmäßig geformten Teilchen mit verschiedenen Größen; diese Teilchen sind im ganzen durch das Bezugszeichen 80 in Fig. 1 bezeichnet. Die Teilchen werden im Kasten 40 gesammelt und darauffolgend einem - nicht gezeigten- Zerlegungsprozeß unterworfen, der die Teilchen in ein verhältnismäßig feines Pulver zerbricht, wobei diese ihre unregelmäßige Gestalt beibehalten.

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Im folgenden sei kurz die Arbeitsweise der folgenden Erfindung erläutert. Der Laserstrahl 42 wird im wesentlichen gleichzeitig mit der Betätigung der Materialzuführungsvorrichtung 56 unter der Einleitung der Argongasströmung durch die Leitung 68 erregt. Wenn der Laserstrahl augenblicklich das Aussenende 54 der Metallstange 52 in der Schmelzzone 44 schmilzt, so wird die sich ergebende verflüssigte Masse in der Form der Vielzahl feiner flüssiger Tröpfchen 72 vom soliden Vorratsteil der Stange weggetrieben, und zwar mit Hilfe des eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden Gasstrahls. Diese Gasversorgung bläst die Tröpfchen nicht nur von der aufbrauchbaren Stange in einer divergierenden konischen Bahn 73 weg, sondern erzeugt auch eine Umhüllung aus inertem Gas um die Tröpfchen herum, um diese gegenüber Oxydation zu schützen, und beschleunigt das Abkühlen der Tröpfchen während ihrer Bewegung auf die Sperrplatte 74 zu.

Während des Laufs der Tröpfchen 72 zwischen der Schmelzzone und der Platte 74 tritt eine hinreichende Kühlung in den Tröpfchen auf, um den Verfestigungsprozess einzuleiten. Nach dem Auftreffen auf die gekühlte Oberfläche der Platte werden die Tröpfchen in verschiedene Größen aufweisende Teilchen 80 umgewandelt. Der Laufabstand der Tröpfchen ist genau kontrolliert, damit er verhältnismäßig kurz ist, um so irgendeine im wesentlichen kugelförmige Verfestigung der Tröpfchen vor der Berührung mit der Platte zu vermeiden. Dieser Laufabstand ist aber auch hinreichend lang, um die einzelnen Teilchen in vorteilhafter Weise mit einer verhältnismäßig unregelmäßigen Gestalt beim Auftreffen auf die gekühlte Oberfläche der Sperrplatte in ihrer halbverfestigten Form auszustatten. Nach diesem Auftreffen werden die Teilchen in der gewünschten unregelmäßigen Form, die deutlich in der fotografischen Vergrößerung der Fig. 2 gezeigt ist, vollständig verfestigt. Die relativ kalte Oberfläche der stark Wärme übertragenden Sperrplatte gewährleistet eine derartige unregelmäßige Gestalt und

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eine allgemeine Sprödigkeit der ausgebildeten Agglomaration von Teilchen bei den Endstufen der Verfestigung, wobei die Neigung der Platte, die relativ frei fließende Bewegung der Teilchen nach unten von ihrem Berührungspunkt aus weiter verstärkt. Die Teilchen bleiben also nicht an der Sperrplatte haften, sondern bewegen sich infolge der Schv/erkraft und ihres Bewegungsmoments weiter nach unten, um so durch die Teilchensammeiöffnung 32 und in das Sammelrohr 34 zur Ablage im Kasten 40 zu gelangen.

Weil die Teilchen 80 innerhalb der im wesentlichen geschlossenen Arbeitskammer 19 und in der Argonumhüllung ausgebildet werden, wird die Möglichkeit irgendeiner Oxydation oder einer anderen Degradierung der Teilchen praktisch eliminiert. Der gesamte Zyklus des Fortschreitens von einem soliden Vorratsmaterial zu verflüssigten Tröpfchen und zu einer verfestigten Agglomaration aus Teilchen ist verhältnismäßig kurz und macht die Zerstäubung von Materialien mit hoher Qualität möglich, was bislang wirtschaftlich nicht möglich war.

Die relativ spröde Agglomaration aus Teilchen 80 wird darauffolgend relativ leicht zerbrochen oder zum Zerfall gebracht, und zwar durch übliche nicht gezeigte Schlagverfahren, wie beispielsweise Hammer- oder Kugel-Mühlen, wobei diese Verfahren die zuvor erzeugte unregelmäßige Gestalt der Teilchen nicht in ihrer Größe vermindern oder in anderer Weise modifizieren. Die unregelmäßige Gestalt der Teilchen wird somit aufrechterhalten und die Teilchen haben solche Größen, daß annähernd 80% ihres Gesamtgewichts durch ein 50 Maschen-Sieb passieren, was eine Ansammlung von Teilchen zur Folge hat, die einen Durchmesser von annähernd 0₇012 Zoll (0,030 cm) oder weniger besitzen.

In Fig. 3 ist in vereinfachter schematischer Form ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, wobei das Gehäuse 12, die Endwände 16 und 18, das Fenster 20, die Teilchen-

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sammelöffnung 32 und das zugehörige Sammelrohr 34 sowie die Gastransportleitung 68 im allgemeinen die gleichen Zwecke erfüllen, wie dies unter Bezugnahme auf das Grundausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 beschrieben wurde. Obwohl der Laserstrahl 42, die durch diesen zu schmelzende Metallstange 52 und die gekühlte Sperrplatte 74 den gleichen Zwecken dienen, sind sie hier aber körperlich anders orientiert als dies beim Grundausführungsbeispiel der Fall war. Im einzelnen sind Laserstrahl und Metallstange längs der Achse 14 ausgerichtet, so daß der Strahl in Längsrichtung auf das Aussenende 54 der Metallstange auftrifft und nicht in Querrichtung, wie beim Grundausführungsbeispiel. Diese Anordnung macht das zweite Fenster 22 und die Wärmeabsorptionsvorrichtung 46 unnötig, die im Grundausführungsbeispiel erforderlich waren, wobei hier im wesentlichen die gesamte Wärmeenergie des Lasers verwendet wird, und T.'vja.r durch geeignetes Abstimmen des Durchmessers der Stange mit dem Durchmesser des Laserstrahls in der Wärmezone 44. Vorzugsweise ist das Gasleitrohr 68 mit einem Winkel A gegenüber der Vertikalen in der in Fig. 3 gezeigten Weise geneigt, um unter einem etwas entgegengerichteten Winkel auf das äußere Ende der Stange aufzutreffen, um so die Vielzahl der feinen Tröpfchen 72 vom geschmolzenen Ende wegzutreiben. Wie unter Bezugnahme auf das Grundausführungsbeispiel beschrieben wurde, ist das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Vorrichtung besonders zweckmäßig bei der Atomisierung von Metallen, die während üblicher Pulverherstellungsverfahren die Tendenz besitzen, zu oxydieren oder in anderer Weise degradieren. Dieses Problem ist insbesondere beispielsweise bei Versuchen zur Atomisierung von Borstählen vorherrschend. Die vorliegende Erfindung ist ohne weiteres bei einem dünnwandigen Stahlrohr verwendbar, welches eine vorbestimmte Mischung aus Eisen- und Bor-Pulvern enthält, um eine Verbundform aus der Metallstange 52 zu erzeugen. Diese Verbundlegierungsmetallstange wird, wie zuvor, in den Laserstrahl 42 eingeführt, wo das relativ hohe Energieniveau das im wesentlichen augenblickliche Schmelzen und Vermischen der einzelnen Elemente zur Folge hat. Im wesentlichen gleich-

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zeitig damit wird das verhältnismäßig heftig schmelzende Ende der zusammengesetzten Stange (Verbundstange) einer Strömung des Argongases durch die Leitung 68 ausgesetzt, um homogene Tröpfchen zu erzeugen, die darauffolgend in der oben beschriebenen Weise in eine Vielzahl von relativ feinen Borstahlteilchen von hoher Qualität ausgeformt werden, welche einzeln eine unregelmäßige Gestalt zum Zwecke der besseren Verdichtung besitzen. Die auf diese Weise einzeln hergestellten Borstahlteilchen besitzen eine Hochqualitäts-Legierungszusammensetzung, die bislang wirtschaftlich nicht herstellbar war.

Sämtliche beschriebenen Ausführungsbeispiele erzeugen unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung verschiedene Größen aufweisende Teilchen, die sich in einem optimalen Zustand für die Umwandlung in ein relativ feines Pulver befinden, welches insbesondere für Pulvermetallurgieverfahren oder dergleichen geeignet ist und zwar in einer verbesserten und wirtschaftlichen Weise. Die Ausführyngsbeispiele bilden die Teilchen mit großer Effizienz und schnell in einer eingeschlossenen Kammer aus, die eine Schutzatmosphäre besitzt, so daß das darauffolgend daraus hergestellte Pulver von äußerst hoher Qualität ist. Darüber hinaus erzeugt die Erfindung einzelne Teilchen mit unregelmäßiger Gestalt, was speziell deren verbesserte Verdichtung gestattet, weil die Teilchen dicht miteinander in Eingriff kommen, so daß sich ein Minimum an Leerstellen ergibt, wenn die Heißpreßverfahren angewendet werden. Dies gibt einen fertigen Körper oder Artikel, der eine wesentliche höhere Festigkeit besitzt als Körper, die durch irgendein übliches Verfahren oder eine Vorrichtung hergestellt sind.

Es ist ebenfalls von Bedeutung, daß die vorliegende Erfindung eine Verschiedenheit von feinen Pulvern aus einem Vorratsmaterials mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Elementen herstellen kann, wobei eine Verbundlegierung vorgesehen wird, und wobei diese Zusammensetzung zuvor nicht in

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hinreichend reiner oder homogener Form verfügbar war, um wirtschaftlich verwendet zu werden. Es können nicht nur metallische Materialien schnell geschmolzen und in Tröpfchenform durch das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Vorrichtung gebracht werden, sondern auch andere Vorratsmaterialien, wie beispielsweise einen hohen Schmelzpunkt aufweisende Keramikstoffe oder Cermets, können offensichtlich in wirtschaftlicher Weise in Pulver atomisiert oder sogar in kleinen Schrot umgewandelt werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Claims (32)

1. Verfahren zur Herstellung eines Aggregationsmaterials gekennzeichnet durch das Fokussieren eines Strahls elektromagnetischer Energie auf ein Vorratsmaterial zum fortlaufenden Schmelzen und Umwandeln eines Teils desselben in eine flüssige Masse, die vom Vorratsmaterial in einer Vielzahl von relativ feinen Tröpfchen

(72) weggeleitet wird, und worauf die Tröpfchen in einer Vielzahl von verschiedene Größen aufweisenden unregelmäßig geformten Teilchen (80) verfestigt werden, die sich in optimalem Zustand für die darauffolgende Zerlegung in ein relativ feines Pulver befinden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laserstrahl als Strahl aus elektromagnetischer Energie verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Gasstrahl auf die verflüssigte Masse auftreffen läßt, um die Wegleitung der feinen Tröpfchen vom Vorratsmaterial zu unterstützen.'

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die feinen Tröpfchen auf eine verhältnismäßig kalte Sperre (74) vor der vollständigen Verfestigung der Tröpfchen auftreffen läßt, um die verhältnismäßig unregelmäßige Gestalt der verschiedene Größen aufweisenden Teilchen zu erhalten, die dann ihre unregelmäßige Gestalt nach der Zerlegung in das feine Pulver behalten.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch beschleunigtes Abkühlen der feinen Tröpfchen während ihrer Bewegung auf die Sperre zu, um die Schmelzverbindung der verschiedene Größen aufweisenden Teilchen bei ihrer Berührung mit der Sperre zu verhindern.

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6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die verflüssigte Masse und die feinen Tröpfchen (72) einer Schutzatmosphäre aussetzt, und zwar vor Verfestigung der Tröpfchen, um die Oxydierung der verschiedene Größen auf v/eisenden Teilchen zu minimieren.

7. Verfahren,insbesondere nach einem oder mehreren der vorgehenden Ansprüche, zur Herstellung eines Aggregationsmaterials, welches insbesondere zur darauffolgenden Zerlegung in ein relativ feines Pulver zur Verwendung in pulvermetallurgischen Verfahren oder dergleichen geeignet ist, gekennzeichnet durch fortlaufendes Schmelzen eines Teils des Vorratsmaterials in eine verflüssigte Masse, welche vom Vorratsmaterial in der Form einer Vielzahl von feinen Tröpfchen (72) weggetrieben wird, und wobei man die feinen Tröpfchen auf eine verhältnismäßig kalte Sperre (74) zum Zwecke der Verfestigung und zum Erhalt einer Vielzahl von verschiedene Größen aufweisenden unregelmäßig geformten Teilchen (80) auftreffen läßt, welche ihre unregelmäßige Gestalt nach der Zerlegung in das relativ feine Pulver behalten.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laserstrahl(42)zur relativ schnellen und lokalisierbaren Schmelzung des Teils des Vorratsmaterials in die verflüssigte Masse verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Gasstrahl auf die verflüssigte Masse auftreffen läßt, um die verflüssigte Masse von dem Vorratsmaterial weg zu treiben, und zwar in der Form einer Vielzahl feiner Tröpfchen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,daß man eine Schutzatmosphäre verwendet, in welcher die Tröpfchen ausgebildet und verfestigt werden, um so die Oxydierung der unregelmäßig geformten Teilchen zu vermeiden.

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11. Verfahren, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, zur Herstellung eines Aggregat ionsmaterials, welches insbesondere zur Ausbildung von Verbundlegierungsteilchen mit relativ hoher Qualität geeignet ist, die in Pulvermetallurgieverfahren verwenden werden können, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Vorratsmaterialglied mit einer Vielzahl gesonderter Elemente in einen fokussierten Laserstrahl einbringt, um ein im wesentlichen homogenes errodierbar geschmolzenes Ende zu bilden, auf welches man einen Gasstrahl auftreffen läßt, um eine Vielzahl von relativ feinen Tröpfchen von dem Glied wegzutreiben, die man auf eine relativ kalte Sperre (74) auftreffen läßt, um eine verfestigte Vielzahl von veränderbare Größen aufweisenden Teilchen zu erzeugen, die einzeln eine unregelmäßige Gestalt der gleichen eine hohe Qualität besitzenden zusammengesetzten Legierung (Verbundlegierung) besitzen.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man ein inertes Gas als Gasstrahl verwendet, um eine im ganzen schützende Atmosphäre vorzusehen, in der die Tröpfchen ausgebildet werden und innerhalb welcher man die Tröpfchen erstarren läßt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das inerte Gas Argon ist.

14. Vorrichtung zur Erzeugung eines Aggregationsmaterials aus einem Vorratsmaterial zur Verwendung bei der Herstellung eines relativ feinen Pulvers für pulvermotallurgische Verfahren, gekennzeichnet durch eine auf das Vorratsmaterial fokussierte elektromagnetische Energiestrahlungsvorrichtung zum kontinuierlichen errodierbaren Schmelzen des Vorratsmaterial» in einer vorbestimmten örtlich begrenzten Schmelzzone (44), wobei der Schmelzzone Treib- oder Antriebsmittel betriebsmäßig zugeordnet sind, um zu bewirken, daß eine Vielzahl von relativ feinen Tröpfchen (72) vom Vorratsmaterial

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weg in eine vorbestimmte Laufbahn gerichtet werden, und wobei Verfestigungsmittel in einer genau bestimmten Abstandsbeziehung gegenüber der Schmelzzone und in der Laufbahn der Tröpfchen angeordnet sind, um die Tröpfchen in eine Vielzahl von veränderbare Größen aufweisende Teilchen (80) umzuwandeln, die sich in optimalem Zustand für eine darauffolgende Zerlegung in ein derart relativ feinverteiltes Pulver befinden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfestigungsmittel eine relativ kalte Sperre

(74) aufweisen, so daß die Tröpfchen darauf in einer halberstarrten Form auftreffen und sodann vollständig erstarren, um den verschiedene Größen aufweisenden Teilchen (80) eine unregelmäßige Gestalt zu geben.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch Haltevorrichtungen, um kontinuierlich das Vorratsmaterial in die elektromagnetische Strahlvorrichtung einzugeben.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Energiestrahlvorrichtung ein Laserstrahl (42) ist, der ein proportional berechnetes Leistungsdichteniveau von annähernd 1 Million Watt pro Quadrat:

erzeugt,

Quadratzoll (152 000 Watt pro cm ) an der Schmelzzone

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibmittel einen Gasstrahl (68, 70) aufweisen, der in einer Auftreffbeziehung auf die Schmelzzone angeordnet ist, um die Tröpfchen von dort wegzublasen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (12), welches eine relativ umschlossene Arbeitskammer (19) bildet, und wobei die Gasstrahlvorrichtung eine Leitung (68) aufweist, die in die Kammer hineinläuft und inertes Gas zuführt, so daß die Tröpfchen und die Teilchen in einer im ganzen schützenden Atmosphäre ausgebildet werden.

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20. Vorrichtung, insbesondere nach einem oder mehreren der Ansprüche 14-19, zur Erzeugung eines Aggregationsmaterials aus einem Vorratsmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Vorratsmaterial Mittel fokussiert sind, um dieses kontinuierlich in einer lokalisierten Schmelzzone errodierbar zu schmelzen, und daß der Schmelzzone betriebsmäßig Treibmittel zugeordnet sind, um eine Vielzahl von relativ feinen Tröpfchen in einer divergierenden konischen Bahn (73) davon wegzutreiben, und daß Sperrmittel (74) in einem vorbestimmten Abstand gegenüber der Schmelzzone (44) in der Bahn der Tröpfchen angeordnet sind, so daß diese darauf in einer im wesentlichen halbverfestigten Form auftreffen, und darauffolgend vollständig verfestigt werden, und zwar zu einer Vielzahl von verschiedene Größen aufweisenden unregelmäßig geformten Teilchen (80).

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrmittel eine strömungsmittelgekühlte Sperrplatte (74) von hoher thermischer Leitfähigkeit ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum kontinuierlichen errodierbaren Schmelzen des Vorratsmaterials ein ein relativ hohes Energieniveau aufweisender Laserstrahl(42) ist.

23. Vorrichtung, insbesondere nach einem oder mehreren der Ansprüche 14-22, zur Erzeugung eines Aggregationsmaterials aus einem Vorratsmaterial, welches eine zusammengesetzte Legierungszusammensetzung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß eine Laserstrahlvorrichtung (42) auf das Vorratsmaterial gerichtet wird, um die"¹ gesonderten Elemente der zusammengesetzten Legierungszusammensetzung aus einem Teil des Vorratsmaterials kontinuierlich und errodierbar zu schmelzen und zu vermischen, wobei eine Gasstrahlvorrichtung eine Vielzahl von relativ feinen homogenen Tröpfchen in einer vorbe-

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stimmten Bahn von dem geschmolzenen Teil des Vorratsmaterials hinwegtreibt und wobei schließlich in der Bahn der Tröpfchen mit einem vorbestimmten Abstand gegenüber dem geschmolzenen Teil des Vorratsmaterials Sperrmittel (74) derart angeordnet sind, daß die Tröpfchen darauf in einer halberstarrten Form auftreffen und darauffolgend vollständig erstarren, um eine Vielzahl von verschiedene Größen aufweisenden unregelmäßig geformten Teilchen zu bilden, deren jedes die gleiche zusammengesetzte Legierungszusammensetzung besitzt, wie das Vorratsmaterial.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorratsmaterial ein dünnwandiges Stahlrohr aufweist, das mit einer vorbestimmten Mischung aus einem Eisenpulver und einem Borpulver besteht, um eine hohe Qualität aufweisende Borstahlteilchen zu erzeugen.

25. Verfahren, insbesondere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-13, zur Herstellung eines relativ feinen Pulvers zur Verwendung in pulvermetallurgischen Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorratsmaterial fortlaufend geschmolzen und in eine verflüssigte Masse mittels eines Laserstrahls umgewandelt wird, und daß diese verflüssigte Masse von dem Vorratsmaterial weg in der Form einer Vielzahl feiner Flüssigkeitströpfchen (72) getrieben wird, und zwar mit Hilfe eines Gasstrahls hoher Geschwindigkeit, der die Tröpfchen nicht nur in einer divergierenden konischen Bahn (73) wegbläst, sondern auch eine inerte Gasumhüllung um die Tröpfchen herum ausbildet, um diese gegenüber Oxydation zu schützen, und um die Abkühlung der Tröpfchen während ihrer Bewegung zu einer Sperrplatte (74) hin zu beschleunigen, auf welche die Tröpfchen aufprallen und in ein Aggregationsmaterial sich verfestigen, und zwar· aus einer Vielzahl von veränderbare Größe aufweisenden

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unregelmäßig geformten Teilchen (80), die darauffolgend einem üblichen Zerlegungsverfahren unterworfen werden.

26. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14-24, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl im wesentlichen horizontal längs der Mittelachse (14) des Gehäuses (12) durch ein Fenster (20) projiziert wird, und eine Schmelzzone (44) im wesentlichen mittig erzeugt, wobei nicht blockierte Teile des Laserstrahls durch die Kammer nach aussen durch ein zweites Fenster

(22) laufen, um auf einer Wärmeabsorptionsvorrichtung

(46) aufzutreffen.

27. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasleitung (68) vertikal bezüglich der Schmelzzone (44) ausgerichtet ist und eine Düse (70) am unteren Ende aufweist.

28. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sperrplatte

(74) unter einem Winkel von annähernd 4 5 gegenüber einer Horizontalebene gehaltert und im wesentlichen mittig unterhalb der Schmelzzone (44) angeordnet ist.

29. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während des Laufs der Tröpfchen (72) zwischen der Schmelzzone (44) und der Platte (74) eine hinreichende Kühlung in den Tröpfchen erfolgt, um den Verfestigungsprozess einzuleiten, und daß nach Auftreffen auf die gekühlte Oberfläche der Platte die Tröpfchen in Teilchen (80) umgewandelt werden.

30. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laufabstand der Tröpfchen genau gesteuert wird, damit dieser so kurz ■ als möglich ist, um jegliche wesentliche kugelförmige Erstarrung der Tröpfchen vor ihrer Berührung' mit der Platte zu vermeiden, wobei aber der Laufabstand auch hinreichend

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lang ist, um den einzelnen Teilchen eine relativ unregelmäßige Form beim Auftreffen auf die gekühlte Oberfläche der Sperrplatte in ihrer halberstarrten Form zu erteilen.

31. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl und die Metallstange längs der Achse (14) ausgerichtet sind.

32. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gasleitung (68) mit einem Winkel gegenüber der Vertikalen geneigt ist (Fig. 3).

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