Verfahren, bei dem durch Mikrowellen erwärmtes Metallpulver stranggepresst wird

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Profils durch Strangpressen von Pulver aus Metall und/oder Metalllegierungen, bei welchem Verfahren eine Pulverschüttung auf eine Strangpresstemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Pulvers erwärmt und unter Druck durch eine Öffnung einer Matrize zu dem Profil verpresst wird.

[0002] Im Stand der Technik wird in einer Strangpressanlage im Normalfall ein Pressbolzen als metallisches Block material durch die Öffnung einer Matrize gedrückt. Beim Strangpressen von pulverförmigen Materialien werden die Pulverschüttungen wegen ihrer niedrigen Wärmeleitung vor dem Strangpressen üblicherweise in einem Behälter gekapselt und in der Regel, z.B. durch kalt-isostatisches Pressen, verdichtet. Die schlechte Wärmeleitung der Pulverschüttungen wird durch die als Isolator wirkenden Oxidschichten auf den Metallpartikeln noch erschwert. Durch die höhere Dichte und Kapselung beim Pressen verbessert sich der Wärmetransport, und die gesamte Pulverschüttung lässt sich so durch externe Wärmezufuhr homogen auf die gewünschte Strangpresstemperatur erwärmen, wobei allerdings die Zeitdauer, bis sich in der Pulverschüttung durch Wärmeleitung eine gleichmässige Temperaturverteilung eingestellt hat, verhältnismässig lang ist. Aus diesem Grund hat sich die direkte Verarbeitung von metallischen Pulvern in Strangpressanlagen bisher nicht durchgesetzt.

[0003] Die zum Strangpressen vorgesehene Pulverschüttung muss möglichst homogen auf die gewünschte Strangpresstemperatur gebracht werden. Hierzu wird die Pulverschüttung nach dem Stand der Technik in einem geeigneten Behälter entweder induktiv oder in einem Konvektionsofen erwärmt. Dabei ist darauf zu achten, dass der Erwärmungsvorgang lange genug dauert, um eine möglichst gleichförmige Temperaturverteilung innerhalb der Pulverschüttung sicherzustellen. Als Folge diese langen Wartezeit zur Sicherstellung der Temperaturhomogenität tritt eine unerwünschte Verzögerung im Produktionsprozess ein. Weiter erhöht sich das Risiko einer zu hohen Erwärmung in den äusseren Randschichten der Schüttung und/oder einer zu langen Wärmebehandlungszeit. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn aus mindestens zwei unterschiedlichen Komponenten bestehende Pulver, so genannte Kompositpulver, deren Komponenten bei erhöhter Temperatur entweder einzeln, z.B. durch Oxidation, oder untereinander zu unerwünschten Reaktionen neigen, verarbeitet werden sollen.

[0004] Die vorstehend beschriebenen Verfahren nach dem Stand der Technik sind beispielsweise in EP-A-0 327 064, US-A-4 050 143 oder US-A-4 699 657 offenbart.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem eine schnelle und gleichmässige Erwärmung in allen Bereichen der Pulverschüttung erreicht werden kann.

[0006] Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt, dass wenigstens ein Metall oder eine Metalllegierung des Pulvers ein reaktives, an einer freien Oberfläche spontan eine natürliche Oxidschutzschicht bildendes Metall ist und/oder das Pulver homogen in der Pulverschüttung verteilte, Mikrowellenstrahlung absorbierende, faserartige Partikel enthält, und dass die Pulverschüttung durch Mikrowellenbestrahlung auf Strangpresstemperatur erwärmt wird.

[0007] Durch Einsatz der Mikrowellentechnik zur Erwärmung der Pulverschüttung wird auf Grund ihrer Tiefenwirkung eine sehr schnelle und sehr gleichmässige Erwärmung in allen Bereichen der Pulverschüttung erreicht. Dadurch wird die Wartezeit bis zum Erreichen der Temperaturhomogenität drastisch verkürzt. Dies gilt insbesondere für reaktive metallische Pulver, d.h., für reaktive, an einer freien Oberfläche spontan eine natürliche Oxidschutzschicht bildende Metalle wie Aluminium, Magnesium, Titan, Tantal oder Zirkonium. Diese metallischen Pulver weisen an ihrer Oberfläche grundsätzlich eine, wenn auch sehr dünne, Oxidschicht auf, die zwar bei Kontaktwärmeübertragung einerseits als Isolator wirkt, andererseits aber den Erwärmungsvorgang durch die Mikrowellen unterstützt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Hohlräume zwischen den Pulverteilchen einschliesslich der Oxidschichten als so genannte "Wave guides" für die Mikrowellen wirken, da sie von der Dimension her der Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung entsprechen. Dadurch kann die Mikrowellenstrahlung ungehindert und unter vielfacher Reflexion den ganzen Bereich der Pulverschüttung homogen durchdringen.

[0008] Zur Optimierung der Durchdringung der Pulverschüttung durch die Mikrowellenstrahlung kann die Dichte der Pulverschüttung bzw. die Dimension der Hohlräume zwischen den Pulverpartikeln einschliesslich der Oxidschichten durch eine entsprechende Verdichtung der Pulverschüttung zusätzlich auf die Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung abgestimmt werden.

[0009] Wenn nun das Pulver neben den Metallpartikeln auch Mikrowellenstrahlungsenergie absorbierende, faserartige Bestandteile, wie z.B. Carbon Nanotubes (CNTs) enthält, wirken diese lokal als Empfangsantennen bzw. Absorber für die Mikrowellenstrahlung. Wenn die faserartigen Bestandteile homogen in der Pulverschüttung verteilt oder im optimalen Fall sogar zumindest teilweise in den metallischen Pulverpartikeln integriert sind, kann auf diese Weise eine sehr effektive und homogene Erwärmung der gesamten Schüttung erzielt werden. Dieser Effekt lässt sich durch eine möglichst genaue Abstimmung der Länge der faserartigen Bestandteile auf die Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung noch verstärken.

[0010] In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird die Pulverschüttung beim Erwärmen auf Strangpresstemperatur zunächst mit niedriger Mikrowellenenergie bei sich ändernder Frequenz durchstrahlt und die absorbierte Energie in Abhängigkeit von der Frequenz gemessen. Bei einer bestimmten Frequenz, der so genannten Resonanzfrequenz, ergibt sich ein Maximum der absorbierten Energie. Mit dieser Frequenz wird nun die Pulverschüttung mit hoher Mikrowellenenergie durchstrahlt, wodurch sich eine wirkungsvolle Energieeinkoppelung ergibt.

[0011] Der Frequenzabstimmungsvorgang (sweep) mit niedriger Mikrowellenenergie und die nachfolgende Durchstrahlung mit hoher Mikrowellenenergie mit der Resonanzfrequenz zum Erwärmen der Pulverschüttung auf Strangpresstemperatur kann mittels einer Steuerelektronik auch vollautomatisch durchgeführt werden, so dass für verschiedene Pulverschüttmengen und Pulverzusammensetzung immer die optimale Frequenz der eingekoppelten Mikrowellenenergie eingestellt wird.

[0012] In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens kann die Pulverschüttung beispielsweise mit einem Schneckenförderer in einem Zwischenbehälter zunächst vorverdichtet werden. Anschliessend wird die so vorverdichtete Pulverschüttung im Zwischenbehälter mit der Resonanzfrequenz durchstrahlt und dadurch schnell und gleichmässig auf Strangpresstemperatur erwärmt. Mittels eines Stempels wird die vorverdichtete und auf Strangpresstemperatur erwärmte Pulverschüttung aus dem Zwischenbehälter durch die Matrizenöffnung gedrückt. Auf diese Weise lässt sich ein kontinuierliches Strangpressen von metallischem Pulvermaterial realisieren.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Profils durch Strangpressen von Pulver aus Metall und/oder Metalllegierungen, bei welchem Verfahren eine Pulverschüttung auf eine Strangpresstemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Pulvers erwärmt und unter Druck durch eine Öffnung einer Matrize zu dem Profil verpresst wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
dass wenigstens ein Metall oder eine Metalllegierung des Pulvers ein reaktives, an einer freien Oberfläche spontan eine natürliche Oxidschutzschicht bildendes Metall ist und/oder das Pulver homogen in der Pulverschüttung verteilte, Mikrowellenstrahlung absorbierende, faserartige Partikel enthält, und dass die Pulverschüttung durch Mikrowellenbestrahlung auf Strangpresstemperatur erwärmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Pulverschüttung bzw. die Dimension der Hohlräume zwischen den Pulverpartikeln einschliesslich der Oxidschichten auf die Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung abgestimmt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive, an einer freien Oberfläche spontan eine natürliche Oxidschutzschicht bildende Metall Aluminium, Magnesium, Titan, Tantal oder Zirkonium ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der faserartigen Partikel auf die Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung abgestimmt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die faserartigen Partikel zumindest teilweise in den metallischen Pulverpartikeln integriert sind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverschüttung Carbon Nanotubes (CNTs) in homogener Verteilung enthält.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverschüttung beim Erwärmen auf Strangpresstemperatur zunächst mit niedriger Mikrowellenenergie bei sich ändernder Frequenz durchstrahlt, die absorbierte Energie in Abhängigkeit von der Frequenz gemessen und beim Auftreten eines Maximum der absorbierten Energie die Resonanzfrequenz bestimmt wird, und dass nachfolgend die Pulverschüttung mit hoher Mikrowellenenergie mit der Resonanzfrequenz durchstrahlt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Resonanzfrequenz der Pulverschüttung und die nachfolgende Durchstrahlung mit hoher Mikrowellenenergie mit der Resonanzfrequenz zum Erwärmen der Pulverschüttung auf Strangpresstemperatur mittels einer Steuerelektronik vollautomatisch durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverschüttung in einem Zwischenbehälter vorverdichtet, die vorverdichtete Pulverschüttung im Zwischenbehälter mit der Resonanzfrequenz durchstrahlt und auf Strangpresstemperatur erwärmt und nachfolgend mittels eines Stempels aus dem Zwischenbehälter durch die Matrizenöffnung gedrückt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorverdichten der Pulverschüttung im Zwischenbehälter mit einem Schneckenförderer durchgeführt wird.