Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines aus oberflächenzerklüfteten, sogenannten spratzigen Teilchen bestehenden Metallpulvers durch Beaufschlagen eines Gießstrahles einer Metallschmelze mit einem flüssigen Medium.
Metallpulver werden überwiegend durch ein Zerteilen einer flüssigen Schmelze in Partikel und ein nachfolgendes Erstarren derselben hergestellt. Als Mittel für eine Desintegration des Flüssigmetalles in kleine Tröpfchen sind gemäß dem Stand der Technik im Wesentlichen Gas- oder Flüssigkeitsstrahlen bekannt, welche mit hoher kinetischer Energie auf einen Schmelzenstrom einwirken gelassen werden.
Erfolgt eine Beaufschlagung des Schmelzenstromes mit Gas, bilden sich in der Folge auf Grund der Oberflächenspannung des Flüssigmetalles weitgehend runde Tröpfchen, die während ihres Fluges in der Anlage erstarren und in dieser in einem Behälter bereitgestellt werden. Dieses sogenannte gasverdüste Metallpulver mit weitgehend runden, oberflächlich im Wesentlichen glatten Teilchen eignet sich vorzüglich für eine Herstellung von dichten Körpern bzw. Werkstoffen, zum Beispiel durch heißisostatisches Pressen.
Ein oberflächenzerklüftetes, sogenanntes spratziges Pulverkom entsteht durch eine Zerteilung des Schmelzenstromes mit Flüssigkeiten, insbesondere mit Wasser. Das sogenannte wasserverdüste Metallpulver hat nach einem Trocknen zumeist ein geringeres Schüttgewicht, wobei auch auf Grund der Oberflächenausbildung die Rieseleigenschaften verschlechtert sind. Durch ein Einbringen des Pulvers in eine Form und ein nachfolgendes Pressen desselben kann ein sogenannter Grünling erstellt werden, welcher durch die zerklüftete Oberflächenstruktur der Körner durchgehend porös ist. Dabei besitzt der Grünling oder Pressling vor einem Sintern oft eine gewünschte Stabilität, die eine zerstörungsfreie Manipulation desselben fördert. Die spratzige Pulverkomform ist vorteilhaft geeignet, aus derartigen wasserverdüsten Pulvem durch Sintern Gegenstände herzustellen, die eine hohe, gegebenenfalls jedoch inhomogen verteilte und zusammenhängende innere Porosität aufweisen.
Ein besonderes Anwendungsgebiet für Gegenstände oder Maschinenteile mit hoher innerer Porosität sind wartungsfreie Gleitlager, bei welchen die Verbindungen aufweisenden Hohlräume mit Schmiermittel gefüllt sind.
Um die Güte und um gewünschte Gebrauchseigenschaften der gefertigten Teile sicherstellen zu können, müssen weitgehend eine homogene Hohlraumausbildung bei guten Presseigenschaften des Pulvers gegeben sein und ein gutes Sinterverhalten des Grünlings vorliegen. Mit anderen Worten: die Pulverkömer sollen eine spratzige Oberflächenstruktur mit möglichst vielen unregelmäßigen, gegebenenfalls scharfkantigen Vorsprüngen und im Wesentlichen gleiches und geringes Komgewicht besitzen.
Prinzipiell erfolgt eine Zerteilung eines geschmolzenen Metalles mit Flüssigkeit bzw. eine sogenannte Wasserverdüsung von Metall zu Pulver, indem ein im Wesentlichen senkrechter metallischer Gießstrahl seitwärts nach unten gerichtet mit Wasser beaufschlagt wird (Metall Powder Production and Characterization, ASM Handbook, Volume 7, Powder Metal Technologies and Applications, Seite 35 bis 52). Der Hochdruck- bzw. Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl kann dabei eine ringförmige V-Form oder Kegelform, eine offene V-Form, eine geschlossene V-Form, eine Pyramidenform oder eine Sonderform besitzen. Von Bedeutung für die Pulverteilchenausbildung ist der Winkel, mit welchem der Wasserstrahl auf den Metallstrom auftrifft bzw. die senkrechte Geschwindigkeitskomponente auf den Metallstrom. Mit größer werdendem spitzen Winkel des Wasserstrahles sinkt die mittlere Partikelgröße des Pulvers. Allerdings ist verfahrenstechnisch einer Vergrößerung des Auftreffwinkels des Wasserstrahles und somit einer Verringerung der Pulverkomgröße eine Grenze gesetzt, weil sich beim Überschreiten eines bestimmten Anströmwinkels unstabile Zerteilungsbedingungen für das Flüssigmetall bilden, dieses teilweise auf dem Wasserstrahl getragen wird bzw. ein sogenanntes "welled-up-water"-Phänomen entsteht.
Ein weiteres Problem stellt die Komgrößenverteilung von wasserverdüsten Pulvern dar, weil der Anteil an kleinen, gegebenanfalls für ein Formspritzen geeigneten Partikeln klein ist und ein aufwendiges Klassieren erfordert.
Um ein hohes Ausbringen an verwendbarem Pulver mit guten Kompaktiereigenschaften und einen niedrigen Sauerstoffgehalt desselben zu erreichen, wurde schon vorgeschlagen (US- 4,191.516), den Gießstrahl in einem geschlossenen Gefäß in Achsrichtung mit zwei offenen V-förmigen Wasserstrahlpaaren zu beaufschlagen, wobei diese mit einen Winkel von ca. 90° zueinander verdreht sind. Das erste Wasserstrahlpaar weist dabei einen größeren spitzen Winkel zur Achse des Gießstrahles auf, trifft diesen früher und formt diesen zu einem Band. Das folgende Wasserstrahlpaar bewirkt eine Zerteilung des Gießstrahlbandes in Tröpfchen. Mit einer derartigen Einrichtung kann zwar eine gewisse Verbesserung der Pulvergüte erreicht werden, allerdings sind die Größe der Pulverkömer uneinheitlich, der Anteil an kleinen, unregelmäßigen und spratzigen Pulverkörnem ist gering und es ergeben sich zumeist nicht ausreichend gute Sintereigenschaften.
Die Erfindung setzt sich zum Ziel, die gegebenen Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem Metallpulver mit in engen Grenzen vorliegenden geringen Komgewichten bzw. einem hohen Anteil an kleinen Pulverkömern und verbesserter scharfkantiger bzw. spratziger Oberflächenform herstellbar ist, welches Pulver günstigere Verarbeitungseigenschaften und höhere Güte der daraus gesinterten Teile erbringt.
Dieses Ziel wird nach der Erfindung bei einem gattungsgemäßen Verfahren dadurch erreicht, dass in einem ersten Schritt der Gießstrahl in seiner Fließrichtung abgelenkt und oberflächenvergrößert wird, worauf in einem zweiten Schritt eine abermalige Fließrichtungsablenkung des oberflächenvergrößerten Gießstrahles mit einer Zerteilung desselben und eine Beschleunigung der gebildeten Flüssigmetallpartikel erfolgen und in einem dritten Schritt die bewegten Flüssigmetallpartikel mit einem Winkel von γ = 10 bis 90° zur Bewegungsrichtung derselben mit einem zumindest teilweise mit flüssigem Medium gebildeten Hochgeschwindigkeitsstrom beaufschlagt, zerteilt und die Teilchen erstarren gelassen. werden.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind im Wesentlichen darin zu sehen, dass die Einbringung von spezifischer Desintegrationsenergie in das Flüssigmetall entscheidend vergrößert werden kann und dadurch die Partikelgröße, die Oberflächenausbildung sowie die Spratzigkeit und die Homogenität des Komgewichtes des Pulvers verbessert sind. Es wurde gefunden, dass bei einer Ablenkung des Gießstrahles aus einer Fließrichtung durch eine einseitige Beaufschlagung besonders günstig eine Oberflächenvergrößerung und Ausdünnung desselben bewirkt werden kann. Die Fließrichtung des noch im Wesentlichen zusammenhängenden Metallstromes wird nachgeordnet abermals durch eine einseitige Beaufschlagung, vorzugsweise von einer der ersten Ablenkung gegenüber liegenden Seite, geändert. Dabei erfolgt, begünstigt durch die vergrößerte Oberfläche des gedünnten Metallstromes eine Zerteilung desselben in Flüssigkmetallpartikel, welche durch die Strömung des Beaufschlagungsmittels auch beschleunigt werden. Derart besitzen die Flüssigmetallpartikel eine hohe kinetische Energie beim Zusammentreffen mit dem zumindest teilweise mit flüssigem Medium gebildeten Hochgeschwindigkeitsstrom und werden in diesen gleichsam hineingeschossen, wodurch auch das "welled upwater"-Phänomen unterdrückt ist. Mit anderen Worten: Durch ein in der Abfolge gegebenes Zusammenwirken der Beeinflussung des Gießstrahles bzw. Metallstromes und zwar in den ersten zwei Schritten durch eine Ablenkung und Vergrößerung des Querschnittes des Gießstrahles und danach durch eine Fließrichtungsablenkung, Zerteilung und Beschleunigung der gebildeten Flüssigmetallpartikel, kann im Folgeschritt ein großer Beaufschlagungswinkel des flüssigen Hochgeschwindigkeitsstromes angewendet werden, ohne dass das sogenannte "welled up-water"-Phänomen entsteht. Diese Gegebenheiten bewirken einerseits eine effektvolle Desintegration der Flüssigmetallpartikel in kleine, weitgehend gleichgewichtige Teilchen, andererseits eine vorteilhafte Oberflächenform der aus den Teilchen erstarrten Pulverkörner.
Besonders wirkungsvoll, insbesondere bei hoher Überhitzung des Metalles vom Gießstrahl, kann das Verfahren durchgeführt werden, wenn eine Ablenkung des Gießstrahles und eine Oberflächenvergrößerung desselben im ersten Verfahrensschritt und/oder eine Ablenkung des oberflächenvergrößerten Gießstrahles und dessen Zerkleinerung sowie eine Beschleunigung der gebildeten Flüssigmetallpartikel im zweiten Verfahrensschritt mit (einem) zumindest teilweise mit flüssigem Medium gebildeten Strömen (Strom) erfolgen.
Wenn gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Ablenkung von der Fließrichtung und eine Oberfächenvergrößerung des Gießstrahles im ersten Verfahrensschritt mit einem Gasstrom erfolgen, wird eine vergleichsweise geringere Abfuhr von Wärmeenergie aus dem Flüssigmetall erreicht bzw. ein Abbau der Überhitzung verringert, wodurch eine Zerteilung in Flüssigmetallpartikel mit geringer Viskosität gefördert werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist von Vorteil, wenn eine Ablenkung des oberflächenvergrößerten Gießstrahles und dessen Zerteilung sowie eine Beschleunigung der dabei gebildeten Flüssigmetallpartikel im zweiten Verfahrensschritt mit einem Gasstrom erfolgen. Diese Maßnahme erbringt eine geringere Erniedrigung der Temperatur im oberflächennahen Bereich der Metallpartikel, insbesondere bei der Beschleunigung derselben und intensiviert beim Auftreffen und/oder Eintauchen in den mit flüssigem Medium gebildeten Hochgeschwindigkeitsstrom im dritten Verfahrensschritt ein Zerklüften bzw. Spratzigwerden der Oberfläche der Pulverkömer. Es wird angenommen, dass diese günstige Wirkung durch einen verbesserten Oberflächenkontakt zwischen dem Metall mit hohem Flüssigkeitsgrad bzw. mit erhöhter Überhitzung und dem Flüssigmedium erbracht wird.
Obwohl sich bei Verfahren gemäß dem Stand der Technik hohe Überhitzungen des Metalles, welche jedoch reaktionskinetische und wirtschaftliche Nachteile erbringen können, oftmals günstig auf die Pulverkornform auswirken, ist beim erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft, wenn der Metallschmelze des Gießstrahles eine derartige Überhitzung erteilt und für die Zerteilung desselben eine solche aufrechterhalten wird, dass bei einer Beaufschlagung der im zweiten Verfahrensschritt gebildeten Flüssigmetallpartikel mit einem Hochgeschwindigkeitsstrom mit zumindest teilweise flüssigem Medium, im dritten Verfahrensschritt in den Metallpartikeln ohne Temperaturausgleich über den Querschnitt eine Oberflächentemperatur von höher als der Solidus-Temperatur der Legierung entspricht, vorliegt. Dabei liegt die Schlußfolgerung nahe, dass dieser Vorteil mit der Einbringung von vergrößerter spezifischer Desintegrationsenergie in das Flüssigmetall im Zusammenhang steht, wobei unter spezifischer Desintegrationsenergie die wirksame Energie für eine Zerteilung und Beaufschlagung des Metalles je Gewichtseinheit desselben zu verstehen ist.
Vollkommen überraschend für den Fachmann, der das "welled-up-water"-Phänomen kennt, war, dass bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens der spitze Anströmwinkel des Metallflusses wesentlich vergrößert werden kann. Besonders gute Pulverqualität wird dabei erreicht, wenn der beschleunigte Flüssigmetallpartikelstrom mit einem Winkel von größer als 45° durch den Hochgeschwindigkeitsstrom beaufschlagt wird.
Für den Erhalt von möglichst gleichgewichtigen Pulverkömem kann es günstig sein, wenn der Flüssigmetallpartikelstrom durch einen Hochgeschwindigkeits-Flachstrom mit zumindest teilweise flüssigem Medium beaufschlagt und zerteilt wird.
Bei einer Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung hat es sich als vorteilhaft im Hinblick auf ein hohes Ausbringen an Pulver mit kleinen Körnern in spratziger Form erwiesen, wenn die Zerteilung und Beschleunigung der Flüssigmetallpartikel im zweiten Verfahrensschritt entlang einer Wegstrecke von mindestens dem Durchmesser des Gießstrahles mal 10 erfolgt und dass eine Beaufschlagung durch den Hochgeschwindigkeitsstrom und die Zerteilung aus kurzer Entfernung mit einem Düsenabstand von weniger als dem Durchmesser des Gießstrahles mal 8 durchgeführt werden.
Die Erfindung zielt weiters auf eine Ausgestaltung des eingangs genannten Verfahrens ab, durch welche die Güte des spratzigen Pulvers aus einigen Metallen und Legierungen verbessert wird.
Diese Ziel wird dadurch erreicht, dass eine Ablenkung des Gießstrahles in seiner Fließrichtung und eine Oberflächenvergrößerung desselben im ersten Verfahrensschritt und/oder eine Ablenkung des oberflächenvergrößerten Gießstrahles und desssen Zerkleinerung, sowie eine Beschleunigung der gebildeten Flüssigmetallpartikel im zweiten Verfahrensschritt mit (einem) aus erwärmten Gas(en) gebildeten Strom (Strömen) erfolgen.
Ein so erzielter Vorteil des Verfahrens ist im Wesentlichen darin zu sehen, dass eine geringere Schmelzenüberhitzung erforderlich ist, wodurch eine bessere Haltbarkeit der Feuerfestzustellung des Bereitstellungsgefäßes und der Düseneinrichtung gegeben sind. Überraschenderweise wurde auch eine Verkleinerung und Vergleichmäßigung des Durchmessers der spratzigen Pulverkörner bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens festgestellt. Dies ist offenbar auf eine bessere Nutzung der Desintegrationsenergie bei einer Beaufschlagung der Flüssigmetallparitkel mittels des Hochgeschwindigkeitstromes zurückzuführen. Weiters erscheint bei einer derartigen Gießstrahlbehandlung auch der Grad der Dünnflüssigkeit bzw. Viskosität im Oberflächenbereich der flüssigen Metallpartikel bis zur Beaufschlagung derselben mit dem Hochgeschwindigkeitsstrom erhalten zu bleiben, weil bevorzugt nur ein enger, geringer Größenbereich der Pulverkömer mit verbesserter Spratzigkeit derselben verfahrenstechnisch erreicht wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Gasstrom für den ersten und/oder für den zweiten Verfahrensschritt auf eine Temperatur von über Raumtemperatur, vorzugsweise von über 200°C, insbesondere von über 400°C gegebenenfalls mittels eines Wärmetauschers erwärmt wird. Es ist jedoch auch im Hinblick auf eine genaue Einstellung der erhöhten Temperatur des Gasstromes möglich, zusätzlich oder ausschließlich eine elektrische Erwärmung desselben vorzusehen. Dies kann beispielsweise mit einer Heizwendel in einem Strömungskanal erfolgen. Derart kann insbesondere von kleineren Metallpartikel die oberflächliche Wärmeabfuhr und ein Dickflüssigwerden der oberflächennahen Zone verringert bzw. verzögert werden.
Weiters ist es bevorzugt, wenn für den ersten und/oder für den zweiten Verfahrensschritt ein Gas oder Gasgemisch mit geringer Abkühlwirkung auf die Oberfläche des Gießstrahles oder der Flüssigmetallpartikel verwendet wird.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art kann auch vorgesehen sein, dass eine Ablenkung des Gießstrahles in seiner Fließrichtung und eine Oberflächenvergrößerung desselben im ersten Verfahrensschritt und/oder eine Ablenkung des oberflächenvergrößerten Gießstrahles und dessen Zerkleinerung, sowie eine Beschleunigung der gebildeten Flüssigmetallpartikel im zweiten Verfahrensschritt zumindest teilweise mit jeweils bei einer Verbrennung gebildeten Abgasstrom (-strömen) erfolgen.
Die dabei erreichten Vorteile sind im Wesentlichen darin begründet, dass der/die Gasstrom (-ströme) zur Vorbehandlung bzw. zur Aufbereitung des Gießstrahles für eine Feinzerteilung desselben mittels des Hochgeschwindigkeitsstromes auf besonders einfache Weise und günstig erstellt wird (werden). Durch eine Verbrennung eines Gasgemisches ist einerseits eine Erwärmung des Behandlungsgasstromes und andererseits durch eine dabei entstehende Volumsvergrößerung eine günstige Intensitätserhöhung der Strömung desselben erreichbar. Weiters kann durch die Verbrennung auch der Sauerstoffgehalt im Behandlungsstrom verringert werden.
Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn für den ersten und/oder für den zweiten Verfahrensschritt der Gasstrom jeweils in einem einen Brenner, insbesondere Hochgeschwindigkeitsbrenner enthaltenden Mittel erwärmt und ausgeformt wird. Derart kann genau fokussiert der aus dem Verteiler austretende Gießstrahl und/oder der oberflächenvergrößerte Gießstrahl im zweiten Verfahrensschritt mit Heißgas beaufschlagt und derart aufbereitet werden, dass die Voraussetzungen für eine Zerteilung desselben im dritten Verfahrensschritt in gewünscht hochwertiges Metallpulver erreichbar sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnung erläutert.
Wie in schematischer Darstellung aus der Zeichnung Fig. 1 entnehmbar ist, befindet sich in einem metallurgischen Gefäß 1 eine überhitzte Schmelze, die durch einen Düsenstein 11 einen Gießstrahl 2 mit einem Durchmesser D bildend aus diesem in vertikaler Richtung austritt.
Eine Einrichtung 3, die in vorteilhafter Weise als Flachstrahl-Düseneinrichtung ausgebildet ist, beaufschlagt in einem ersten Verfahrensschritt den senkrechten Gießstrahl 2 in einem spitzen Winkel α mit einem Ablenkungsmedium 31, z.B. Wasser, Wasser-Gas-Gemisch oder Gas, wobei der Gießstrahl 2 im Bereich 32 derart angeströmt wird, dass dieser oberflächenvergrößernd gebreitet wird.
Der gebreitete Gießstrahl 21, der weitgehend bzw. in großen Bereichen noch zusammenhängend ausgebildet ist bzw. verläuft, wird in der Folge von einem Beaufschlagungssystem 4 mit einem vorteilhaft mit breiter Form ausgebildeten Mediumsstrahl 41 mit einem spitzen Winkel β angeströmt. Bei einem Aufeinandertreffen von gebreitetem Gießstrahl 21 und Mediumsstrahl 41 gemäß dem zweiten Verfahrensschritt im Bereich 42 erfolgen eine abermalige Ablenkung des verbreiterten Gießstrahles 21 und eine Zerteilung desselben in Flüssigmetallpartikel 22. Weiters werden mittels des Mediumsstrahles 41 die Flüssigmetallpartikel 22, wie durch das Symbol V dargelegt ist, beschleunigt. Die beschleunigten Flüssigmetallpartikel 22 werden in der Folge im Bereich 52 in einen flachen Hochgeschwindigkeitsstrom 51, der mit einem Winkel γ zur Flugbahn der Metallpartikel 22 gerichtet ist, eingebracht bzw. eingeschlossen. Eine hohe kinetische Energie der Flüssigmetallpartikel 22 einerseits und der zumindest teilweise mit flüssigem Medium gebildete Hochgeschwindigkeitsstrom 51 andererseits führen zu hohen Werten der spezifischen Desintegrationsenergie des Metalles und dadurch bei hoher Leistung zu weitgehend gleich kleinen Partikeln mit einer hohen Spratzigkeit der einzelnen Pulverkörner. Der Bereich 53 des Beaufschlagungssystemes 5 weist, verursacht durch den Medienstrahl 41, einen erhöhten Druck auf und verhindert eine Ablagerung von Flüssigmetalltröpfchen auf des Systemkomponenten 5.
Versuche haben gezeigt, dass auch durchaus vorteilhaft die Medienstrahlen 31 und 41 des ersten und zweiten Verfahrensschrittes mit Gas, vorzugsweise Stickstoff, gebildet sein können, wobei eine Gasbeaufschlagung in der Vorbereitung des Metallstromes zur Pulverkomzerteilung eine geringere oberflächliche Abfuhr von Überhitzungswärme von den Metallpartikeln und eine vermehrte Spratzigkeit der Komoberfläche des Pulvers bei erhöhter Wirtschaftlichkeit erbringen können.
Anhand einer schematischen Darstellung in Fig. 1a wird die Ausgestalltung der Erfindung erläutert.
Aus einem metallurgischen Gefäß tritt durch einen Düsenstein 11 eine gegebenenfalls nur geringfügig überhitzter Metall-Gießstrom 2 aus. Den Gießstrahl 2 begleitend kann ein diesen umschließender Gasstrom 6 vorgesehen sein, der auf eine Temperatur von über der Raumtemperatur gebracht ist.
Ein vorzugsweise als Flachstrahleinrichtung 3 ausgebildetes Mittel zur Beaufschlagung und Ablenkung des Gießstrahles 2 erzeugt einen Warmgasstrom 31, zum Beispiel mit einer Temperatur von über 600°C, welcher den Gießstrahl 2 oberflächenvergrößert, ohne vermehrte Abkühlwirkung zu haben.
Ein weiteres Beaufschlagungssystem 4 kann ebenfalls einen Warm- oder Heißgasstrom 41 erstellen, welcher gegebenenfallls gleicherart ohne nachteilige Abkühlung den oberflächenvergrößerten Gießstrahl 21 zerteilt und die Flüssigmetallpartikel beschleunigt. Die Beaufschlagungssysteme 3 und 4 können auch zumindest teilweise als Brennereinrichtung ausgebildet sein.
Schießlich kann nach der Erfindung auch vorgesehen sein, dass das flüssige Medium im Hochgeschwindigkeiststrom durch eine Temperaturerhöhung in Dampfform übergeführt und mit diesem die Flüssigmetallpartikel im dritten Verfahrensschritt beaufschlagt werden. Vorteilhaft kann dabei sein, dass sowohl die Deintegrationsenergie die Pulverpartikel mit kleinen Durchmessern entstehen lässt, als auch die Abkühlungsintensität der Pulverpartikel gesteigert wird und dass damit eine besonders hohe Metallpulvergüte erreichbar ist.