DE102014214562A1

DE102014214562A1 - Verfahren zur Verarbeitung und Verwendung von Abfall metallabhebender oder spanender Prozesse

Info

Publication number: DE102014214562A1
Application number: DE102014214562.7A
Authority: DE
Inventors: Jens-Oliver Müller; Gabriele Hörnig
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-07-24
Filing date: 2014-07-24
Publication date: 2016-01-28
Also published as: WO2016012545A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung von Metall aufweisenden Abfällen (1) eines metallabhebenden Materialbearbeitungsprozesses (S0) mit den Schritten Abtrennen (S1) von Wertstoffen/Reststoffen (3) aus den Abfällen (1) zum Erhalten von Metallspänen (5) gekennzeichnet durch Pulverisieren (S5) der Metallspäne (5) in ein Metallpulver (7), das sich als ein Ausgangsmaterial für Pulvermetallurgie (S6), oder zum Lasersintern (S7), oder zum Selektiven Laserschmelzen (S8), oder zum Laserauftragsschweißen (S9) eignet.

Description

Derzeit werden wertvolle Materialien, insbesondere Metalle, aus der spanenden Bearbeitung nicht wieder verwendet, sondern zum größten Teil entsorgt. Bei entsprechender Deklaration findet im ungünstigsten Fall eine Entsorgung als Sondermüll statt.
Abfälle der spanenden Bearbeitung aus der metallverarbeitenden Industrie werden derzeit nach dem Schleif- oder Spanprozess erfasst. Je nach Beschaffenheit der Abfälle erfolgt eine unterschiedliche Behandlung. Bei feinerem Material findet eine Rückgewinnung des Kühl- und Schmiermittels durch Fest-Flüssig-Trennung statt. Hierzu sind Verfahren bekannt, wie es beispielsweise Sedimentation, Flotation, Filtration, Zentrifugieren und Magnetabscheidung sind. Der Kühlschmierstoff wird anschließend in einen Kreislauf für Kühlschmiermittel zurückgeführt. Abwässer werden ebenfalls behandelt oder sogar zurückgeführt. Gröberes Material beziehungsweise die festen Rückstände aus der oben beschriebenen Abtrennung des Kühlmittels, insbesondere die Schleifspäne, werden meist direkt als Abfallstoff entsorgt oder weiterbehandelt. Die Weiterbehandlung umfasst eine Entfernung von verbliebenen Rückständen der Kühlmittel, und zwar beispielsweise mittels Vakuumdestillation, und Kompaktieren, und zwar mittels Brikettierung oder Verpressen, der Späne. Anschließend werden die Schleifspäne deponiert oder wieder eingeschmolzen, wobei dies von der vorliegenden Legierung abhängig ist. Da der Anteil an Deponierung überwiegt, werden somit bestimmte Legierungen nicht wieder verwendet. In den meisten Fällen entstehen hohe Kosten infolge der notwendigen Klassierung und folgenden Entsorgung als Sondermüll.
Die JP 4343281 offenbart einen Rotor eines Reluktanzmotors mit einem bindenden Magnetkreis, der zwischen Magnetpolen erzeugt ist, die Verbundkristallkörner mit hohen magnetokristallinen, anisotropischen Eigenschaften enthalten. Es wird ein anisotropisches, weichmagnetisches Material für die Anwendung in Reluktanzmaschinen offenbart, wobei die Richtungsabhängigkeit der Permeabilität bei diesem Material dadurch erreicht wird, dass ein hochanisotropes Pulver in einem Magnetfeld ausgerichtet wird, so dass die Vorzugsrichtung möglichst aller Pulverteilchen entlang der Feldlinien ausgerichtet ist. Es wird zu einem Grünling verdichtet und aus dem Grünling wird mittels Sintern ein dichter Körper hergestellt. Die Herstellung des Pulvers ist ein relativ aufwändiger Prozess, insbesondere auf Grob- und Feinmühlen, wobei der Prozess aufgrund der hohen Reaktivität des Pulvers in der Regel unter Schutzgas durchgeführt werden muss.
Herkömmlicherweise wird das anisotrope, weichmagnetische Material analog zu Seltenerddauermagneten, insbesondere pulvermetallurgisch, hergestellt, und zwar indem die Vorlegierungen unter Schutzgas zu Pulver gemahlen werden, die Pulver im Magnetfeld zu Grünlingen gepresst und anschließend durch Flüssigphasensintern gesintert werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung aus geschliffenen und/oder zerspanten Abfällen vorhandene Metalle, beispielsweise in Form von Legierungen, zu recyceln und ressourcenschonend weiter zu verwenden. Es soll eine kostenintensive Entsorgung entfallen. Ein energieintensives Einschmelzen soll vermieden werden.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch und eine Verwendung gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Bearbeitung von Metall aufweisenden Abfällen eines metallabhebenden Materialbearbeitungsprozesses, insbesondere von Schleif- und/oder Span-Abfällen, mit den folgenden Schritten ausgeführt. Abtrennen von Wertstoffen und/oder Reststoffen aus den Abfällen zum Erhalten von Metallspänen und Pulverisieren der Metallspäne in ein Metallpulver.
Ein Metallspan ist ein mechanisch abgetrenntes Teilchen von einem bearbeiteten Werkstück aus Metall.
Zum Erhalten von, insbesondere sauberen oder sortenreinen, Metallspänen kann ein Abtrennen von Reststoffen ausgeführt werden, wie es beispielsweise Kühlmittel, Schmiermittel, Öl und/oder Wasser sind.
Gemäß einem zweiten Aspekt erfolgt eine Verwendung des erfindungsgemäß erzeugten pulverisierten Metalls als ein Ausgangsmaterial für Pulvermetallurgie oder zum Lasersintern oder zum selektiven Laserschmelzen oder Laserauftragsschweißen.
Laserauftragsschweißen gehört zum Cladding (Auftragsschweißen), bei dem auf ein Werkstück ein Oberflächenauftrag mittels Aufschmelzen und gleichzeitigem Aufbringen eines nahezu beliebigen Materials erfolgt. Dies kann in Pulverform z. B. als Metallpulver oder auch mit einem Schweißdraht bzw. -band geschehen. Beim Laserauftragsschweißen dient als Wärmequelle ein Laser hoher Leistung, vornehmlich Diodenlaser oder Faserlaser, früher auch CO₂- und Nd:YAG-Laser.
Beim Laserauftragsschweißen mit Pulver erhitzt der Laser das Werkstück meist defokussiert und schmilzt es lokal auf. Gleichzeitig wird ein inertes Gas gemischt mit feinem Metallpulver zugeführt. Die Versorgung des Wirkbereichs mit dem Metall-/Gasgemisch erfolgt über Schlepp- oder Koaxialdüsen. An der erhitzten Stelle schmilzt das Metallpulver auf und verbindet sich mit dem Metall des Werkstücks.
Lasersintern ist ein generatives Schichtbauverfahren: das Werkstück wird Schicht für Schicht aufgebaut. Es kommt als als Laser ein CO2-Laser, ein Nd:YAG-Laser oder ein Faserlaser zum Einsatz. Der pulverförmige Werkstoff ist beispielsweise ein kunststoffbeschichteter Formsand, ein Metall- oder ein Keramikpulver.
Das Pulver wird auf eine Bauplattform mit Hilfe einer Rakel oder Walze vollflächig aufgegeben. Die Schichten werden durch eine Ansteuerung des Laserstrahles entsprechend der Schichtkontur des Bauteils schrittweise in das Pulverbett gesintert oder eingeschmolzen. Nach Absenkung wird eine neue Schicht aufgezogen.
Beim Lasersintern werden die Pulverkörner nur partiell aufgeschmolzen, es findet quasi ein Flüssigphasensinterprozess statt. Hierzu wird Kunststoff oder metallisches Spezialsinterpulver verwendet. Bei dem ähnlichen Verfahren des Selektiven Laserschmelzens (SLM) kommt dagegen Metallpulver ohne Zusatz eines Binders zum Einsatz. Die Metallpulver werden dabei vollständig aufgeschmolzen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Inertisieren der Metallspäne ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Inertisieren mittels Pyrolyse ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann ein Reinigen und/oder Vorkonditionierung der Metallspäne ausgeführt werden.
Unter chemischer Konditionierung versteht man die gezielte Beeinflussung der Eigenschaften einer Lösung oder einer Suspension durch Zugabe geeigneter chemischer Substanzen. Ziel ist die Unterdrückung unerwünschter Nebenreaktionen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Vorkonditionieren mittels Beizen ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Klassieren der Metallspäne ausgeführt werden.
In der mechanischen Verfahrenstechnik bezeichnet Klassieren das Trennen eines dispersen Feststoffgemisches in Fraktionen, vorzugsweise nach den Kriterien Partikelgröße oder Partikeldichte.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Pulverisieren mittels mechanischer Verfahren, insbesondere mittels Zermahlen in einer Mühle oder Zerstäuben einer Schmelze des Metalls ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Pulverisieren mittels physikalischer Verfahren, insbesondere mittels Verdampfen des Metalls und anschließender Kondensation oder mittels Zerstäuben des Metalls in einem Lichtbogen ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Pulverisieren mittels chemischer Verfahren, insbesondere mittels Reduktionsverfahren oder Carbonylverfahren ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Pulverisieren mittels elektrolytischer Verfahren, insbesondere mittels Niederschlagen des Metalls an einer Kathode in einem elektrolytischen Bad ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann zwischen jedem Schritt ein Prüfen zur Qualitätskontrolle ausgeführt werden.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens gemäß dem Stand der Technik;
2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verwendung.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Verfahrens. Mit S0 ist ein spanender – und/oder schleifender – Prozess oder allgemeiner ein metallabhebender Materialbearbeitungsprozess abgebildet. Grundsätzlich kann jeder mechanische Materialbearbeitungsprozess hier zugrunde gelegt werden, der Metallteilchen erzeugt, die nicht pulverförmig sind. Mit einem ersten Schritt S1 erfolgt ein Abtrennen von Reststoffen 3 aus den Schleif- und/oder Span-Abfällen 1, so dass sich Metallspäne 5 ergeben. Mittels den Schritten A, der eine Brikettierung darstellt, und des Schrittes B, der eine Deklaration darstellt, kann eine Schmelze erhalten werden oder der Abfall in einer Deponie entsorgt werden. Schmelze oder Deponie sind mit dem Bezugszeichen 9 gekennzeichnet.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Es wird von einem mechanisch metallbearbeitenden Prozess S0 ausgegangen, der Abfälle 1 bereitstellt, die beispielsweise infolge eines Schleifens und/oder Spanens von Metallen erzeugt werden. Andere mechanische Metallbearbeitungsverfahren sind grundsätzlich ebenso möglich. Ein weiteres Beispiel kann eine metallbearbeitende Bearbeitung Einbohren, Einfeilen oder Einstanzen sein. Mit einem ersten Schritt S1 erfolgt ein Abtrennen von Reststoffen 3 aus den Abfällen 1, so dass Metallspäne 5 erhalten werden. Die Materialbearbeitungsabfälle sollen idealerweise erfindungsgemäß werkstofflich verwertet werden. Nach der Abtrennung S1 von Reststoffen 3, die beispielsweise Kühlmittel, Schmiermittel, Öl und/oder Wasser sein können, kann eine Inertisierung S1.5 des Materials in der Form von Metallspänen 5 beispielsweise mittels Pyrolyse ausgeführt werden. Daraufhin kann eine Reinigung S2 und eine Vorkonditionierung S3 des Materials ausgeführt werden. Letzteres kann beispielsweise mittels Beizen ausgeführt werden. Diese vorstehend genannten Schritte ermöglichen oder begünstigen dann ein weiteres Prozessieren mittels diverser Verfahren mit dem Ziel, ein Pulvermaterial herzustellen. Ein derartiges Pulverisieren erfolgt in einem fünften Schritt S5. Vor einem Pulverisieren S5 kann noch ein Klassieren S4 der Metallspäne 5 ausgeführt werden. Das Pulverisieren S5 kann auf verschiedene Arten ausgeführt werden. Es eignen sich dazu mechanische Verfahren, wie es beispielsweise ein Zermahlen in einer Mühle oder Zerstäuben einer Metallschmelze sind. Weiterhin eignen sich physikalische Verfahren, wie beispielsweise das Verdampfen des Metalls und anschließende Kondensation sowie Zerstäuben des Metalls in einem Lichtbogen. Ebenso eignen sich chemische Verfahren, wie es beispielsweise Reduktionsverfahren oder Carbonylverfahren sind. Weitere Verfahren sind elektrolytische Verfahren, bei denen beispielsweise in einem elektrolytischen Bad das Metall als Pulver an einer Kathode niedergeschlagen wird. Das so gewonnene und konditionierte Pulvermaterial 7 kann daraufhin für ein selektives Laserschmelzen S8 oder für ein Laserauftragsschweißen S9 verwendet werden. Weitere Verwendungsmöglichkeiten sind die Verwendung des Metallpulvers 7 als ein Ausgangsmaterial für Pulvermetallurgie S6 oder zum Lasersintern S7. Zwischen jedem Aufbereitungsschritt kann eine geeignete Prüfung bzw. Analyse und Befundung zur Qualitätskontrolle, insbesondere der jeweiligen Materialien, stattfinden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Konditionierung eines bereits in zerkleinerter Form befindlichen Materials 7 speziell für Verwendungen vorteilhaft, die eine Pulverform im jeweiligen Produktionsprozess benötigen. Der Vorteil ist eine direkte Verwertung eines vorhandenen Schleifabfalls 1, welcher in Pulverform vorliegt. Eine kostenintensive Entsorgung kann entfallen und ein energieintensives Einschmelzen kann vermieden werden. Die Pulverform ermöglicht einen direkten Einsatz spezieller Legierungen, die in der Fertigung verwendet werden können.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verwendung. Aus dem Metallpulver 7 ist ein Ausgangsmaterial für Pulvermetallurgie S6 bereitstellbar. Das Pulver 7 kann alternativ zum Lasersintern S7 oder zum selektiven Laserschmelzen S8 oder zum Laserauftragsschweißen L9 verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 4343281 [0003]

Claims

Verfahren zur Bearbeitung von Metall aufweisenden Abfällen (1) eines metallabhebenden oder spanenden Materialbearbeitungsprozesses (S0) mit den Schritten – Abtrennen (S1) von Reststoffen (3) aus den Abfällen (1) zum Erhalten von Metallspänen (5); gekennzeichnet durch – Pulverisieren (S5) der Metallspäne (5) in ein Metallpulver (7).
Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch Inertisieren (S1.5) der Metallspäne (5).
Verfahren gemäß Anspruch 2, gekennzeichnet durch Inertisieren (S1.5) mittels Pyrolyse.
Verfahren gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch Reinigen (S2) und/oder Vorkonditionieren (S3) der Metallspäne (5).
Verfahren gemäß Anspruch 4, gekennzeichnet durch Vorkonditionieren (S3) mittels Beizen.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Klassieren (S4) der Metallspäne (5).
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Pulverisieren (S5) mittels mechanischer Verfahren, insbesondere mittels Zermahlen in einer Mühle oder Zerstäuben einer Schmelze des Metalls.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Pulverisieren (S5) mittels physikalischer Verfahren, insbesondere mittels Verdampfen des Metalls und anschließender Kondensation oder mittels Zerstäuben des Metalls in einem Lichtbogen.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Pulverisieren (S5) mittels chemischer Verfahren, insbesondere mittels Reduktionsverfahren oder Carbonylverfahren.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Pulverisieren (S5) mittels elektrolytischer Verfahren, insbesondere mittels Niederschlagen des Metalls an einer Kathode in einem elektrolytischen Bad.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwischen jeden Schritten ausgeführtes Prüfen zur Qualitätskontrolle.
Verwendung des gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche erzeugten pulverisierten Metalls – als ein Ausgangsmaterial für Pulvermetallurgie (S6), oder – zum Lasersintern (S7), oder – zum Selektiven Laserschmelzen (S8), oder – zum Laserauftragsschweißen (S9).