Verfahren zur Herstellung von feinteiligem, sauerstoffarmem Chrommetallpulver

Abstract

 Zur Herstellung eines sauerstoffarmen Chrommetallpulvers einer mittleren Teilchengröße ≦ 20 µm wird ein Gemisch von Cr₂0₃ und CaO im Molverhältnis 1: 0,5 bis 1 : 2 zunächst bei Temperaturen von 650 bis 1200°C unter Sauerstoffzutritt bis zu einer Gewichtszunahme von 1 bis 6 g je Mol Cr₂0₃ geglüht, das Glühprodukt auf eine Teilchengröße ≦ 100 µm zerkleinert und das so erhaltene Produkt calciothermisch reduziert. Das Calciumoxid kann ganz oder anteilig durch Calciumcarbonat ersetzt werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von sauerstoffarmem Chrommetallpulver einer mittleren Teilchengröße ^< 20 um durch metallothermische Reduktion eines Gemisches von Chromoxid und Calciumoxid mit Calciummetall in einem gegen Sauerstoffzutritt abgeschlossenen Reaktionsgefäß bei Temperaturen von 1000 bis 1250°C und einem Anfangsdruck von ≦ 10^-3 bar bei Raumtemperatur.

[0002] Es ist seit langem bekannt, Metalloxide, wie z.B. die Oxide des Urans, Zirkons, Vanadins, Titans oder Chroms, mit Erdalkalimetallen, insbesondere Calciummetall, zu reduzieren. So ist beispielsweise in der DE-PS 441 640 ein Verfahren beschrieben, bei dem das Oxid mit einem Erdalkalimetall (z.B. Calcium) und einer Halogenverbindung des gleichen oder eines anderen Erdalkalimetalls (z.B. Calciumchlorid oder Bariumchlorid) oder eines Alkalimetalls (beispielsweise Kaliumchlorid) erhitzt wird. Das dabei entstehende Metallpulver ist jedoch verhältnismäßig grobkörnig und enthält noch relativ hohe Mengen an Sauerstoff. Dieser Sauerstoffgehalt ist darauf zurückzuführen, daß in den groben Metallpulverteilchen nichtreduziertes Metalloxid eingeschlossen ist.

[0003] Die DE-AS 10 30 033 betrifft ein Verfahren der vorgenannten Art, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß das reduzierende Metall und das zu reduzierende Oxid in eine durch längere Erhitzung getrocknete Schmelze aus Alkali- oder Erdalkalihalogeniden eingeführt werden. Hierdurch wird zwar erreicht, daß der Gehalt an nichtreduziertem Metalloxid verringert wird. Es wird jedoch auch bei diesem Verfahren kein feinteiliges, sondern allenfalls ein grobkörniges Metallpulver oder ein Metallregulus erhalten.

[0004] Aus der DE-PS 935 456 ist ein Verfahren zur Herstellung von Legierungspulvern durch Reduktion von Metallverbindungen oder Gemischen von Metalloxiden mit Calcium bekannt. In dieser Patentschrift wird der Zusatz indifferenter Oxide zu dem Reduktionsgemisch empfohlen. Durch diesen Zusatz soll verhindert werden, daß die entstehende Legierung infolge der starken Wärmeentwicklung bei der Reduktion schmilzt oder das entstehende Pulver sehr grob anfällt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei der calciothemischen Reduktion einer Mischung aus Chromoxid und Calciumoxid zwar ein verhältnismäßig sauerstoffarmes Chrommetallpulver erhalten werden kann, dieses jedoch immer noch relativ grobkörnig ist und eine Teilchengröße von > 100 um aufweist.

[0005] Aus der DE-PS 30 17 782 ist schließlich ein Verfahren zur Herstellung von sinterfähigen Legierungspulvern auf der Basis von Titan durch calciothermische Reduktion einer Mischung von Metalloxiden der die Legierung bildenden Metalle bekannt. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man

a) Titandioxid mit den Oxiden der anderen Legierungsbestandteile in, bezogen auf Metalle, den der gewünschten Legierung entsprechenden Mengen versetzt, Erdalkalioxid oder Erdalkalicarbonat in einem Molverhältnis von zu reduzierenden Metalloxiden zu Erdalkalioxid oder Erdalkalicarbonat von 1 : 1 bis 6 : 1 zugibt, das Gemisch homogenisiert, bei Temperaturen von 1000 bis 1300°C 6 bis 18 Stunden glüht, abkühlt und auf eine Teilchengröße < 1 mm zerkleinert,

b) kleinstückiges Calcium in einer, bezogen auf Sauerstoffgehalt der zu reduzierenden Oxide, 1 zu 1,2- bis 2,0fachen äquivalenten Menge sowie einen Booster in einem Molverhältnis von zu reduzierenden Oxiden zu Booster von 1 : 0,01 bis 1 : 0,2 zugibt, diesen Reaktionsansatz vermischt, die Mischung zu Grünlingen verpreßt und in einen Reaktionstiegel einfüllt und verschließt,

c) den Reaktionstiegel in einen evakuierbaren und beheizten Reaktionsofen eingibt, den Reaktionstiegel auf einen Anfangsdruck von ₁ . 10-⁴ bis 1 . 10-⁶ bar evakuiert und auf eine Temperatur von 1000 bis 1300°C für eine Dauer von 2 bis 8 Stunden aufheizt, sodann abkühlt und das aus dem Reaktionstiegel entnommene Reaktionsprodukt auf eine Korngräße ≦ 2 mm zerkleinert.

[0006] Ein wesentliches Merkmal des Verfahrens der vorgenannten DE-PS 30 17 782 besteht somit darin, daß man nicht Mischungen der zu reduzierenden Metalloxide calciothermisch reduziert, sondern diese Mischungen erst zu einem oxidischen Mehrstoffsystem verglüht, dessen Phasenzahl kleiner als die Summe der Ausgangskomponenten ist. Durch diesen Glühprozeß gelingt es, Legierungspulver herzustellen, wobei alle Teilchen des Legierungspulvers die gleiche Zusammensetzung und das gleiche Gefüge aufweisen.

[0007] Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein sauerstoffarmes Chrommetallpulver einer mittleren Teilchengröße von _< 20 um herzustellen. Der Sauerstoffgehalt soll dabei möglichst < 0,1 Gew.-% sein. Dabei ist es von besonderem Interesse, ein Chrommetallpulver herzustellen, welches ein Teilchengröße < 10 µm, insbesondere ≦ 5 µm, aufweist.

[0008] überraschenderweise wurde gefunden, daß diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst werden kann, daß man ein Gemisch von Cr₂0₃ und Ca0 im Molverhältnis 1 : 0,5 bis 1 : 2 zunächst bei Temperaturen von 650 bis 1200°C unter Sauerstoffzutritt bis zu einer Gewichtszunahme von 1 bis 6 g je Mol Cr₂0₃ glüht, das Glühprodukt auf eine Teilchengröße < 100 um zerkleinert und das so erhaltene Produkt metallothermisch reduziert.

[0009] Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht somit darin, daß man dem zu reduzierenden Chromoxid Calciumoxid im Molverhältnis 1 : 0,5 bis 1 : 2 zumischt, jedoch im Gegensatz zur Lehre der DE-PS 935 456 dieses physikalische Gemisch von Chromoxid und Calciumoxid nicht direkt calciothermisch reduziert. Das Gemisch wird vielmehr zunächst unter Sauerstoffzutritt bei Temperaturen von 650 bis 1200°C so lange geglüht, bis eine Gewichtszunahme von 1 bis 6 g je Mol Cr₂0₃ zu verzeichnen ist. Es wird angenommen, daß bei diesem Glühprozeß mit einem Teil des Gemisches die folgende Reaktion abläuft: 2 Ca0 + Cr₂O₃ + 1 1/2 0₂ = 2 CaCr0₄ .

[0010] Bei vollständigem Ablauf der Reaktion wäre eine Gewichtszunahme von 24 g je Mol Cr₂0₃ zu erwarten. Einer Gewichtszunahme von 1 bis 6 g je Mol Chromoxid entspricht somit eine partielle Umsetzung von 4 bis 25 %. Dabei hat sich überraschenderweise gezeigt, daß die durchschnittliche Teilchengröße des Chrommetallpulvers um so kleiner ist, je größer die Gewichtszunahme, d.h. der Grad der Umsetzung ist.

[0011] Diese Abhängigkeit ist in Figur 1 dargestellt. Bereits bei einem relativ geringen Umsetzungsgrad von etwa 3 bis 4 % sinkt die beim erfindungsemäßen Verfahren erzielbare mittlere Teilchengröße des Chrommetallpulvers von etwa 30 um auf etwa 15 ^pm. Eine mittlere Teilchengröße von etwa 5 µm wird bei etwa 25 %iger Umsetzung erreicht. Bei weiterer Umsetzung sinkt die Teilchengröße noch geringfügig weiter ab. Da aber mit zunehmender Umsetzung der Gehalt des Glühproduktes an dreiwertigem Chrom abnimmt und an sechswertigem Chrom zunimmt, benötigt man für die calciothermische Reduktion des Produktes mit steigendem Umsetzungsgrad entsprechend höhere Mengen Calcium. Aus wirtschaftlichen Gründen ist es deshalb in der Regel nicht zu empfehlen, die Umsetzung zu einem höheren Grad als etwa 25 % zu treiben. Insofern ist eine Gewichtszunahme von 6 g je Mol Cr₂0₃ entsprechend dem Patentanspruch 1 die empfehlenswerte obere Grenze.

[0012] Da die Umsetzung entsprechend der obengenannten Reaktionsgleichung unter Aufnahme von Sauerstoff verläuft, hängt die notwendige Glühdauer von den jeweiligen Glühtemperaturen und den apparativen Bedingungen ab.

[0013] Figur 2 zeigt die Abhängigkeit der Glühdauer von der Temperatur. Dabei sind die für einen 25 %igen-Umsatz erforderlichen Zeitspannen bei Glühtemperaturen von 1200°C, 1000°C, 800°C und 650°_C mit _T¹, _T², _T³ und T⁴ bezeichnet. Die tatsächliche Glühdauer hängt von verschiedenen Faktoren, wie z.B. von der Menge des angebotenen Sauerstoffs, der Größe der dargebotenen Oberfläche und vom Molverhältnis Chromoxid zu Calciumoxid, ab. Durch ständiges Umwälzen des Glühproduktes und Glühen des Produktes an durchströmender Luft wird die Glühdauer verkürzt. Es hat sich gezeigt, daß man im allgemeinen, je nach den angewendeten Bedingungen, eine Glühzeit von 2 bis 48 Stunden aufwenden muß.

[0014] In einer Abänderung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man das Calciumoxid ganz oder anteilig durch Calciumcarbonat ersetzen. In diesem Falle muß man jedoch den Glühprozeß bei Temperaturen von 1000 bis 1200°C durchführen, um aus dem Calciumcarbonat C0₂ abzuspalten. Bei dieser Verfahrensweise wird während des Glühprozesses eine frische und deshalb besonders reaktive Calciumoxidoberfläche gebildet. Das so gebildete frische Calciumoxid reagiert mit Chromoxid und Luftsauerstoff schneller zu Calciumchromat. Die Gewichtszunahme von 1 bis 6 g je Mol Cr₂0₃ muß dann natürlich wegen der C0₂-Abspaltung auf ein hypothetisches Ausgangsgemisch von Cr203/Ca0 anstelle des tatsächlich verwendeten Gemisches von Cr₂0₃/CaC0₃ oder Cr₂0₃/Ca0 + CaC0₃ bezogen werden.

[0015] Es hat sich gezeigt, daß das Molverhältnis von Chromoxid zu Calciumoxid (bzw. Calciumcarbonat) 1 : 0,5 bis 1 : 2 betragen soll. Ein Verhältnis von 1 : ^< 0,5 ist im Hinblick auf die obengenannte Reaktionsgleichung unzweckmäßig. Ein Molverhältnis von 1 : >2 führt zu ungünstigen Raumzeitausbeuten pro Charge.

[0016] Das im erfindungsgemäß geglühten Gemisch von Cr₂0₃ und Ca0 erhaltene Calciumchromat kann durch Röntgenbeugung nachgewiesen werden. Es ist deshalb dem Fachmann verständlich, daß an die Stelle der Gewichtszunahme, die nur ein Maß der Oxidation ist, auch andere analytische Daten treten können, die es gestatten, den Oxidationsgrad zu erfassen.

[0017] Das erfindungsgemäß erhaltene Glühprodukt wird nach dem Abkühlen auf eine Teilchengröße ≦ 100 µm zerkleinert. Wird die Teilchengröße wesentlich überschritten und reduziert man z.B. Glühprodukte, die nach der Aufmahlung eine Teilchengröße von 180 bis 200 um aufweisen, erhält man Chrommetallpulver mit Anteilen unerwünscht grober Teilchen.

[0018] Das auf eine Teilchengröße ₁ 100 µm gemahlene Glühprodukt wird nun in an sich bekannter Weise mit in bezug auf das Chrom und seine durchschnittliche Oxidationsstufe mindestens äquivalenten Mengen Calciummetall in Form von Calciumspänen homogen vermischt. Es empfiehlt sich, diese Mischung zu tablettieren oder zu Grünlingen zu verpressen und die Tabletten oder Grünlinge in einem Chromtiegel bei einer Tem- ^peratur von 1000 bis 1250°C zu reduzieren. Der Tiegel wird dabei zweckmäßig vorher auf einen Druck von ≦ 10^-3 bar evakuiert. Bei der Reaktion stellt sich dann der der Temperatur entsprechende Dampfdruck des Calciums ein.

[0019] Nach der Reaktion wird das Reaktionsprodukt grob zerkleinert. Das im Reaktionsprodukt enthaltene Calciumoxid wird anschließend durch verdünnte Säuren oder Komplexbildner ausgelaugt und das erhaltene Metallpulver gewaschen und getrocknet.

[0020] Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Chrommetallpulver zeigt einen geringen Sauerstoffgehalt von 0,1 Gew.-% und weniger und ist sehr feinteilig, wobei die mittlere Korngröße < 20 um ist. Es ist dem Fachmann verständlich, daß mit abnehmender Korngröße die Oberfläche des Chrompulvers ansteigt und deshalb der Gehalt an der Oberfläche des Chrompulvers gebundenenen Sauerstoffs wieder ansteigen kann.

[0021] Das nachfolgende Beispiel 1 ist nicht erfindungsgemäß und beschreibt die Herstellung eines Chrommetallpulvers aus einem Gemisch von Chromoxid und Calciumoxid. Das Beispiel 2 ist erfindungsgemäß und zeigt die Herstellung eines Chrommetallpulvers der gewünschten Feinheit.

Beispiel 1

(nicht erfindungsgemäß)

[0022] 1519,92 g Cr₂0₃ und 448,64 g Ca0 werden mit 1563,1 g Ca homogen vermischt und ohne weitere thermische oder physikalische Behandlung zu Grünlingen von 30 mm Durchmesser und 30 mm Höhe verpreßt. Diese Grünlinge werden in einem Chromtiegel bei einer Temperatur von 1200°C 2 Stunden lang reduziert, nach der Reduktion auf eine Korngröße ≦ 2 mm zerkleinert, und das Reduktionsprodukt wird mit verdünnter Salpetersäure ausgelaugt, das erhaltene Metallpulver im Vakuum getrocknet.

[0023] Die Ausbeute an Metallpulver beträgt 1014 g = 97,5 % bezogen auf die theoretische Ausbeute.

[0024] Das erhaltene Metallpulver hat eine Schüttdichte von 3,2 g/cm³ = 44,5 % und eine Klopfdichte von 4,3 g/cm³ = 59,8 % der theoretischen Dichte.

[0025] Die Durchschnittskorngröße nach Fisher beträgt 29 um.

[0026] Die Kornverteilung weist folgende Werte auf:

[0027] Die chemische Analyse des Chrompulvers ergab folgende Beimengungen:

[0028] Die metallographische Untersuchung zeigt ein globulares Chrommetallpulver.

Beispiel 2

(erfindungsgemäß)

[0029] 1519,92 g Cr₂0₃ und 1000,8 g CaC0₃ werden homogen vermischt und 16 Stunden bei 1200°C bis zu einer Gewichtsaufnahme von 42 g geglüht. Das geglühte Mischoxid wird in einer Schlagkreuzmühle zerkleinert auf eine Korngröße < 90 um und weist folgende Kornverteilung auf:

[0030] 

Die Schüttdichte des geglühten Mischoxides beträgt ca. 1,1 g/cm³ und die Klopfdichte ca. 2,3 g/cm³.

[0031] 1000 g dieses Mischoxides werden mit 751,3 g Ca homogen vermischt und zu Grünlingen mit den Abmessungen von 30 mm Durchmesser und 30 mm Höhe verpreßt. Wie in Beispiel 1 werden die Grünlinge zur Reduktion in einen Chromtiegel eingefüllt. Die Reduktion erfolgt über eine Dauer von 8 Stunden bei 1150°C. Das Reaktionsprodukt wird nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur auf eine Korngröße ≦ 2 mm zerkleinert und mit verdünnter Salpetersäure ausgelaugt, das erhaltene Chrommetallpulver unter Vakuum getrocknet.

[0032] Die Ausbeute des Metallpulvers beträgt 479,8 g = 96 % bezogen auf die theoretische Ausbeute.

[0033] Das getrocknete Chrompulver hat eine Schüttdichte von 3,2 g/cm³ = 44,5 % und eine Klopfdichte von 4,3 g/cm^{3 =} 59,8 % der theoretischen Dichte.

[0034] Die Kornverteilung weist folgende Werte auf:

[0035] Mittlere Teilchengröße = 6,5 um nach Fisher.

[0036] Die chemische Analyse ergab folgende Beimengungen:

[0037] Die metallographische Untersuchung zeigt ein feinkugeliges Metallpul. verkorn.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von sauerstoffarmem Chrommetallpulver einer mittleren Teilchengröße ≦ 20 um durch metallothermische Reduktion eines Gemisches von Chromoxid und Calciumoxid mit Calciummetall in einem gegen Sauerstoffzutritt abgeschlossenen Reaktionsgefäß bei Temperaturen von 1000 bis 1250°C und einem Anfangsdruck von ≦ 10^-3 bar bei Raumtemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Gemisch von Cr₂0₃ und Ca0 im Molverhältnis 1 : 0,5 bis 1 : 2 zunächst bei Temperaturen von 650 bis 1200°C unter Sauerstoffzutritt bis zu einer Gewichtszunahme von 1 bis 6 g je Mol Cr₂03 glüht, das Glühprodukt auf eine Teilchengröße < 100 µm zerkleinert und das so erhaltene Produkt metallothermisch reduziert.

2. Abänderung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Ca0 ganz oder anteilig durch CaCO₃ ersetzt und das Ge- _mi_sch aus Cr₂O₃und CACO₃ b_zw. Cr₂O₃ und CaO/CaCO₃ bei Temperaturen von 1000 bis 1200°C glüht, wobei die Gewichtszunahme von 1 bis 6 g je Mol Cr203 auf ein Ausgangsgemisch von Cr₂O₃/CaO berechnet ist.

Zeichnung