Verfahren zum Granulieren nicht fliessfähiger Metallpulver oder Metallpulvermischungen

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Granulieren nicht fließfähiger Metallpulver oder Metallpulvermischungen, bei welchem einer Phlverschüttung ein Granuliermittel in einer Flüssigkeit als Lösung oder Emulgiermittel beigemischt wird, das Gemisch in ein fließfähiges Feingranulat überführt und das Feingranulat unter Abdampfen der Flüssigkeit getrocknet wird. Daneben bezieht sich die Erfindung auf spezielle, fließfähig gemachte Granulate.

[0002] Insbesondere beim Herstellen von Formteilen aus Metallpulver ist für die Wirtschaftlichkeit der Produktion der Einsatz automatischer Pressen erforderlich. Voraussetzung dafür ist ein gutes Fließverhalten der zu verpressenden Metallpulver, da die Füllung der Matrize über eine automatische Fülleinrichtung in verhältnismäßig kurzer Zeit mit enger Massentoleranz der Füllmenge erfolgen muß. Unter dem Fließverhalten eines Metallpulvers versteht man die_.Ausfließzeit t_F, welche die Zeit in Sekunden angibt, während der 100 g des Metallpulvers aus einem genormten 60°-Metalltrichter ausfließen. Der Metalltrichter hat üblicherweise einen Düsendurchmesser von 4 oder 6 mm und eine Düsenlänge von 4 mm.

[0003] Bei Angabe der Ausfließzeit t_F wird der Düsendurchmesser des für den Fließversuch verwendeten Fließtrichters als Index angegeben, _z._B. _tF4. Für gut fließfähige Pulver gilt eine Ausfließzeit t_F4=20 bis 40 s/100 g. Da viele Ausgangspulver durch den angegebenen Fließtrichter nicht oder nicht ausreichend fließen, müssen sie granuliert, d.h. fließfähig gemacht werden.

[0004] Eine Granulation nicht fließfähiger Metallpulver kann bekanntlich durch mechanisches Verdichten und anschließendes erneutes Zerkleinern (mechanische Granulation), durch eine Vorsinterung der gefüllten, geklopften oder gepreßten Pulver (thermische Granulation) oder aber auch durch Granulierzusätze erfolgen. Hierbei wird ein Granuliermittel über eine Flüssigkeit als Lösungs- oder Granuliermittel der Pulvermischung beigemischt und darausdas Granulat hergestellt. Dies kann z.B. durch Passieren der Mischung durch eine Lochplatte oder ein Sieb erfolgen. Nach Abdampfen des Lösungsmittels werden die fadenartigen Teilchen geschnitten. Das Granulat zeigt anschließend gute Fließeigenschaften (Planseeberichte für Pulvermetallurgie, Band 13, 1965, Seiten 81 bis 89).

[0005] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bisher bekannte Granulierverfahren mittels Granulierzusätzen zu vereinfachen. Dabei soll insbesondere erreicht werden, daß kohlenstoffhaltige Metallpulvermischungen, wie sie beispielsweise für Kontaktwerkstoffe benötigt werden, weiterverarbeitbar sind, ohne daß Graphitpulver verloren geht. Aufgrund dieses unerwünschten Phänomens mußte bisher mit Graphitüberschuß bei der pulvermetallurgischen Herstellung von derartigen Werkstoffen- gerarbeitet werden.

[0006] Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die Verfahrensschritte a) und b) des Patentanspruches 1 gelöst. Speziell damit hergestellte fließfähige Granulate sind im Patentanspruch 13 angegeben.

[0007] Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann weitgehend mit einem Mischer gearbeitet werden, wodurch der Arbeitsablauf zur Erzielung einer gleichmäßigen Benetzung der Pulveroberfläche mit Granuliermittel erleichtert wird. Zweckmäßigerweise wird das in einem Lösungs- bzw. Emulgiermittel gelöste oder emulgierte Granuliermittel durch Einträufeln oder Einsprühen auf das im Mischer bewegte Pulver aufgebracht. Der Mischer wird vorzugsweise samt dem darin befindlichen Gemisch oberhalb der Raumtemperatur erwärmt, wobei die Höhe der Temperatur so bemessen wird, daß das Lösungs- bzw. Emulgiermittel zumindest teilweise verdampft. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Temperatur im Mischer zunächst unterhalb der Siedetemperatur des Lösungs- bzw. Emulgiermittels bis zur Bildung der Granulatteilchen zu halten und dann die Temperatur im Mischer bis oberhalb der Siedetemperatur des Lösungs- bzw. Emulgiermittels zu erhöhen und bis zum Trocknen des Granulats auf dieser Temperatur zu halten.

[0008] Die Menge an Granuliermittel ist von der Pulverart, der Teilchenform und Teilchengröße abhängig. Je kleiner die Pulveroberfläche ist, um so weniger Granuliermittelanteil wird für die Granulation benötigt, z.B. 1 bis 3 % Massenanteil bezogen auf die Pulvermenge. Bei größerer Oberfläche, d.h. feinteiligeren Pulvern, sind etwa 3 bis 10 % Massenanteil an Granuliermittelzusatz erforderlich. Bei Metallpulvermischungen wird der Feststoffanteil der Granuliermittelmenge vorteilhafterweise auf 1 bis 10 % Massengehalt bemessen.

[0009] Bei überwiegend graphithaltigen Metallpulvern ist es vorteilhaft, den Feststoffanteil der Granuliermittelmenge auf 10 bis 25 % Massengehalt zu bemessen. Damit wird erreicht, daß das Graphitpulver vollständig gebunden wird, Der tatsächliche Kohlenstoffanteil entspricht praktisch der Einwaage, was bei der herkömmlichen Verarbeitung von graphithaltigen Metallpulvern schwierig zu beherrschen war.

[0010] Sehr wesentlich ist der Anteil an Lösungs- bzw. Emulgiermittel bezogen auf den Feststoffanteil im Granuliermittel. Als besonders günstiges Verhältnis hat sich 30:70 % bis 50:50 % herausgestellt.

[0011] Beim Auftragen der Granuliermittelmischung auf das Pulver sind Bedingungen zu wählen, die eine möglichst gleichmäßige Verteilung auf der Pulveroberfläche erzielen.

[0012] Dabei ist es vorteilhaft, daß die vorgegebene Menge an Granuliermittel mit einem größeren Anteil an Lösungs- bzw. Emulgiermittel als Mischung aufgesprüht wird.

[0013] Im Rahmen der Erfindung wird das Gemisch aus Pulverschüttung und Granuliermittel auf eine erhöhte Temperatur gebracht, damit das überschüssige Lösungs- oder Granuliermittel verdampft und dabei eine Konzentration an Granuliermittel im Lösungsmittel bildet, bei der aus dem Pulver Granulatteilchen entstehen. Durch den Verdampfungsprozeß wird der günstigste Konzentrationsbereich durchlaufen. Nach erfolgter Granulation kann das überschüssige Lösungs- oder Granuliermittel entfernt werden. Dieser Vorgang kann unmittelbar im Anschluß an die Granulation im Mischer erfolgen, in-dem die Temperatur auf einen Wert oberhalb der Siedetemperatur des Lösungs- oder Emulgiermittels erhöht wird. Der Vorgang ist abgeschlossen, wenn kein Lösungsmittel mehr in der kalten Vorlage kondensiert.

[0014] Der Vorgang des Abdampfens kann aber auch außerhalb des Mischers durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur, bei der das Lösungs- bzw. Emulgiermittel verdampft, erfolgen. Dazu wird das Granulat auf Bleche geschüttet. Insbesondere dann, wenn die Lösungsmittelmenge so bemessen ist, daß nach dem Aufsprühen des Lösungs- und Granuliermittels im Mischer bereits Granulatteilchen bei Raumtemperatur entstehen, kann die Wärmebehandlung zur Verdampfung des Lösungsmittels und eventuell eines Teiles des Granuliermittels außerhalb der Mischtrommel bei erhöhter Temperatur erfolgen. Zweckmäßigerweise erfolgt dann die Verdampfung bei erhöhter Temperatur unter vermindertem Druck, z.B. bei < 20 mbar.

[0015] Vor der Weiterverarbeitung wird das gebildete Granulat abgesiebt,z.B.auf eine Teilchengröße <315 µm. Falls auf dem Sieb grob agglomerierte Teilchen zurückbleiben, können diese durch Kugeln auf dem Schwingsieb zerdrückt und passiert werden.

[0016] Die Erfindung läßt sich auch vorteilhaft zur Erzeugung solcher Granulate herstellen, die Kohlenstoff in Form von Graphitpulver enthalten. Bei der pulvermetallurgischen Verarbeitung von Pulverschüttungen mit Graphitpulver ließ sich bisher ein gewisser Verlust nicht vermeiden, so daß ein genauer Kohlenstoffanteil schwierig einzustellen war. Nunmehr ist das Graphitpulver im Granulat in geeigneter Weise gebunden.

[0017] Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher beschrieben.

Beispiel 1:

[0018] Granulieren eines nicht fließfähigen Carbonylnickelpulvers:

Nickelpulver werden insbesondere zur Herstellung von harten Magnetwerkstoffen benötigt. Als sogenanntes Carbonylnickelpulver wird es durch Zersetzung des entsprechenden Metallcarbonyls gewonnen, wobei sehr kleine kugelige Pulverteilchen entstehen, die auf Grund der großen Oberflächenkräfte kein Fließverhalten zeigen.

[0019] Auf das Carbonylnickelpulver der Teilchengröße <10 µm wurde in einem Schaufelmischer 4,3 % Massengehalt Polyäthylenwachs , aufgeschlämmt in 6,5 % Massenanteil Wasser, bei 50 °C mit einer Flüssigkeits-Spritzpistole aufgesprüht. Während einer Mischzeit von einer halben Stunde werden körnige Granulatteilchen gebildet, die nach dem Trocknen abgesiebt werden.

[0020] Die Ausbeute an der Teilchengrößefraktion < 315 µm beträgt 95 %. Die Fließeigenschaften sind gut und betragen im 60°-Trichter bei 4 mm Düsendurchmesser 23,6 Sekunden pro 100 g.

Beispiel 2:

[0021] Granulieren einer Pulvermischung aus Elektrolysekupfer und volumenmäßig überwiegendem Graphit (Elektrographit) mit 27 % Massengehalt:

Derartige Metallpulver mit hohem Kohlenstoffanteil sind Ausgangswerkstoffe zur Herstellung von Gleitkontakten für elektrische.Schaltgeräte und werden im allgemeinen zu Formteilen verpreßt. Das Cu-Pulver wird im allge-

[0022] meinen elektrolytisch erzeugt, wodurch spratzige Teilchen entstehen, die sich gegenseitig verhaken können. Das Elektrographitpulver ist sehr fein. Sowohl die _Ausgangspulver als auch die Mischung beider Pulver sind nicht fließfähig, so daß eine Verarbeitung auf automatischen Pressen nicht möglich ist.

[0023] Die Pulveranteile aus Elektrolysekupferpulver der mittleren Teilchengröße <45 µm und Elektrographitpulver der mittleren Teilchengröße <5 µm wird eingewogen und in den Mischer gegeben. Für den Mischvorgang eignet sich neben dem bereits erwähnten Schaufelmischer auch ein schräg rotierender Doppelkonusmischer.

[0024] Nach einer Trockenmischzeit von ca. 1 Stunde wird das Mischerge.fäß mit Stickstoff gefüllt und auf 70 °C erwärmt. Wenn die Pulvermischung die Temperatur erreicht hat, erfolgt das Einsprühen des Granuliermittelansatzes über eine Sprühdose, so daß es gleichmäßig auf die gesamte Oberfläche der jeweiligen Pulverteilchen aufgetragen wird. In welchselnder Folge betragen die Sprühzeiten 1 Sekunde und die Pausenzeit 2 Sekunden. Bezogen auf den Pulveransatz beträgt die Menge an Granuliermittel 10 % Massengehalt an Feststoffpolyäthylen. Die Emulgiermittelmenge beträgt ebenfalls 10 % Massengehalt, bezogen auf dem Pulveransatz, so daß im Verhältnis zum Granuliermittel 50:50 erhalten wird. Die Aufsprühzeit beträgt bei einem Pulveransatz von 5 kg etwa eine halbe Stunde (Sprüh- + Pausenzeiten).

[0025] Nach dem Aufsprühen des gesamten Granulieransatzes wird die Temperatur auf 100 °C erhöht, worauf das Wasser als Emulgiermittel abdampft. Nach etwa 1 Stunde wird das getrocknete Granulat aus dem Mischer entnommen und abgesiebt.

[0026] Bei der Absiebung mit einem Sieb der lichten Maschenweite von 200 µm werden die größeren Granulatteilchen durch Verwendung von Stahlkugeln auf dem Schwingsieb durch das Sieb passiert, so daß die Gesamtmenge in verarbeitbarem Granulat vorliegt. Die Fließzeit des granulierten Pulvers beträgt im 60°-Trichter bei 4 mm Düsenöffnung 39,5 Sekunden pro 100 g.

Beispiel 3:

[0027] Granulieren einer Pulvermischung aus ElektrolyseKupferpulver und Graphit (Naturgraphit) mit 6,7 % Massengehalt.

[0028] Cu-Pulver mit vergleichsweise niedrigem Kohlenstoffanteil werden insbesondere für die Herstellung von Kontaktstücken, insbesondere bei Installationsschaltern,benötigt. Wichtig ist dabei eine exakte Einhaltung eines quantitativ vorgegebenen Kohlenstoffanteils. Für die Schalteigenschaften kommt es auf eine geringe Schweißneigung des Kontaktwekrstoffes an, so daß in diesem Fall von Naturgraphitpulver mit günstigerer Teilchengrößenverteilung als bei Elektrographit ausgegangen.wird. Das Fließverhalten beider Ausgangspulver als auch deren Mischung ist wiederum, wie bei Beispiel 2, so schlecht, daß eine Verarbeitung auf automatischen Pressen nicht möglich ist.

[0029] Die mittlere Teilchengröße des Elektrolyse-Kupferpulvers liegt bei < 40 µm und die mittlere Teilchengröße des Naturgraphit-Pulvers bei <2 µm. Die Pulveranteile werden abgewogen und in einen Schaufelmischer eingefüllt.

[0030] Nach einer Trockenmischzeit von 0,33 h wurde 6 % Massengehalt Polyäthylenwachs in 13 % Massengehalt Wasser als Emulsion mit einer Flüssigkeitsspritzpistole auf das Pulvergemisch aufgesprüht. Die Aufsprühzeit (Sprühzeit + Pausenzeit) beträgt bei einem Pulveransatz von 2 kg etwa eine viertel Stunde (0,25 h).

[0031] Nach dem Aufsprühen des gesamten Granuliermittels wird das feuchte Pulvergemisch ausgetragen und bei einer Temperatur von 120 °C unter Vakuum getrocknet. Das getrocknete Pulvergemisch wird mit einem Sieb der lichten Maschenweite von < 315 µm abgesiebt, wobei ein Pulveranteil < 315 µm von ca. 60 % erhalten wird. Der gröbere Anteil wird unter Verwendung von Stahlkugeln mit dem Schwingsieb auf eine Teilchengröße von < 315 µm gebracht. Die Fließzeit des granulierten Pulvers beträgt im 60°-Trichter bei 6 mm Düsendurchmesser 29 Sekunden pro 100 g.

[0032] Es hat sich gezeigt, daß die so hergestellten Granulate mit definiertem Kohlenstoffanteil sich besonders günstig für Kontaktstücke bei Schaltgeräten weiterverarbeiten lassen. Dabei kann nunmehr der Kohlenstoffanteil so vorgegeben werden, ohne daß ein Verlust berücksichtigt werden muß.

[0033] Aufgrund der Erfindung lassen sich daher die bekannten pulvermetallurgischen Verfahren reproduzierbar ausführen.

Ansprüche

1. Verfahren zum Granulieren nicht fließfähiger Metallpulver oder Metallpulvermischungen, bei welchem einer Pulverschüttung ein Granuliermittel in einer Flüssigkeit als Lösungs- bzw. Emulgiermittel beigemischt wird, das Gemisch in ein fließfähiges Feingranulat überführt und das Feingranulat unter Abdampfen des Lösungs- bzw. Emulgiermittels getrocknet wird, gekennzeichnet , durch folgende Verfahrensschritte

a) die Pulverschüttung wird in einem Mischer an Luft oder unter Schutzgas bewegt und dabei mit dem im Lösungs- bzw. Emulgiermittel gelösten bzw. emulgierten Granuliermittel gleichmäßig versetzt,

b) anschließend wird das Gemisch auf eine solche Temperatur erwärmt, bei der das Lösungs- bzw. Emulgiermittel zumindest teilweise verdampft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Verfahrensschritt b) im Mischer erfolgt, wobei das Lösungs- bzw. Emulgiermittel außerhalb des Mischers kondensiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Verfahrensschritt b) außerhalb des Mischers erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß Verfahrensschritt b) unter gegenüber Atmosphärendruck verminderten Druck, vorzugsweise bei Z 20 mbar, erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das in einem Lösungs- bzw. Emulgiermittel gelöste oder emulgierte Granuliermittel durch Einträufeln oder Einsprühen auf das im Mischer bewegte Pulver aufgebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur bei Verfahrensschritt b) auf einen Wert im Bereich der Siedetemperatur des Lösungs- bzw. Emulgiermittels eingestellt wird. _;

7. Verfahren nach Anpruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Temperatur bei Verfahrensschritt b) im Mischer zunächst auf einen Wert unterhalb der Siedetemperatur des Lösungs- bzw. Emulgiermittels bis zur Bildung der Granulatteilchen gehalten wird und daß dann die Temperatur auf einen Wert oberhalb der Siedetemperatur des Lösungs- bzw. Emulgiermittels erhöht und bis zum Trocknen des Granulats gehalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß bei Pulverschüttungen aus Metallen der Feststoffanteil der Granuliermittelmenge auf 1 bis 10 % Massengehalt bemessen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß bei Pulverschüttungen aus Metallen und Graphit der Feststoffanteil der Granuliermittelmenge auf 10 bis 25 % Massengehalt bemessen wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Anteil an Lösungs- bzw. Emulgiermittel bezogen auf den Feststoffanteil an Granuliermittel zwischen 30:70 % und 50:50 % gewählt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die vorgegebene Menge an Granuliermittel als Mischung mit einem größeren Anteil an Lösungs- bzw. Emulgiermittel auf das Metallpulver aufgesprüht wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß als Granulationsmittel Polyäthylenwachs gewählt wird, welches in Wasser emulgierbar ist.

13. Fließfähiges Granulat aus Metall- und Graphitpulver, welches nach dem Verfahren nach Anspruch 1 oder eines der Ansprüche 2 bis 12 granuliert sind, dadurch gekennzeichnet , daß das zu verarbeitende Granulat einen durch Einwaage definierbaren Kohlenstoffanteil hat, welcher der Pulverschüttung als Graphitpulver zugesetzt und bei der Granulation durch das Granuliermittel quantitativ gebunden ist.

14. Granulat nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß es eine CuC-Mischung mit 27 % Kohlenstoff als Elektrographitpulver ist.

15. Granulat nach Anspruch 13, insbesondere zur Verwendung als Ausgangsmaterial für Sinterkontaktwerkstoffe bei Schaltautomaten, dadurch gekennzeichnet , daß es eine CuC-Mischung mit 6,7 % Kohlenstoff als Naturgraphitpulver ist.