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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen
von Metalipulvern durch Druckzerstäuben einer Schmelze und anschließendes Abkühlen
der erhaltenen Pulverteilchen.
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Die Verwendung von Metallpulvern zum Herstellen fester Gegenstände
mit komplizierter Gestalt ist bekannt. Man hat seit langem erkannt, daß die Qualität
derartiger Gegenstände und die Schwierigkeiten der Erzielung sauberer Details weitgehend
von der Qualität des verwendeten Metallpulvers abhängt. Es sind viele Verfahren
zum Herstellen von Metallpulvern vorgeschlagen und mit gewissem Erfolg auch angewendet
worden. Beispielsweise ist es bekannt, zur Herstellung legierter Pulver eine Schmelze
mittels Druckluft in eine Flüssigkeit zu spritzen. Bei einem anderen bekannten Verfahren
wird die Schmelze durch ein Sieb in einen langen, luftgekühlten Zylinder gespritzt.
Dabei ist wesentlich, daß die Teilchen schnell abkühlen, ehe sie einander berühren.
Die bekannten Verfahren sind jedoch alle kompliziert, teuer und schwierig zu steuern,
damit Metallpulver mit gleichmäßiger, hoher Qualität erzeugt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Herstellen von Metallpulvern durch Druckzerstäuben einer Schmelze
zu schaffen, die verhältnismäßig einfach und leicht zu steuern sind und ein Metallpulver
gleichmäßig hoher Qualität erzeugen, das den Anforderungen der Pulvermetalltechnik
genügt. Mit dem Verfahren und dem Gerät gemäß der Erfindung wird Metallpulver hervorragender
Reinheit erzeugt, wobei die Metallpulverpartikeln im wesentlichen gleichförmig und
von hervorragender Qualität sind.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt beim Verfahren gemäß der Erfindung
dadurch, daß derMetallschmelze ein Element im festen oder gasförmigen Zustand zugegeben
wird, dessen Dampfdruck wesentlich höher als derjenige des Metalls ist, und die
Schmelze in einer Vakuumkammer zerstäubt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der
Erfindung ist vorgesehen, daß die Metallschmelze vor dem Zerstäuben mit einem inerten
Gas, z. B. dem wegen seiner Wirtschaftlichkeit häufig verwendeten und bekanntlich
einen hohen Dampfdruck aufweisenden Wasserstoff, gesättigt wird.
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Eine andere Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung sieht
vor, daß zu der zu zerstäubenden Schmelze ein mit derselben chemisch nicht reagierendes
Metall zugegeben wird.
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Bei der Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens erfolgt die
Lösung der gestellten Aufgabe durch eine Schmelzkammer, die zur Regulierung des
Drucks in der Kammer über eine Leitung an eine Vorrichtung zum Absaugen und Einleiten
von Gas unter Druck angeschlossen ist, ferner durch einen Schmelztiegel in dieser
Kammer, durch eine Vakuum-Zerstäubungskammer über der Schmelzkammer, weiterhin durch
eine rohrförmige Öffnung, die die Schmelz- und Vakuum-Zerstäubungskammer verbindet,
wobei das Rohr teilweise in den Schmelztiegel hineinragt, durch einen Verschluß
zum Öffnen und Schließen der rohrförmigen Öffnung und durch eine an die Vakuum-Zerstäubungskammer
angeschlossene Saugpumpe zur Erzeugung eines gegenüber der Schmelzkammer verminderten
Druckes in der Vakuum-Zerstäubungskammer.
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In weiterer Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist
vorgesehen, daß das Rohr der rohr-
förmigen Öffnung mit Löchern, Poren oder anderen
Mitteln zum Eindiffundieren von Gas in das durch das Rohr hindurchtretende Metall
versehen ist.
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In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen,
daß bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung um den Schmelztiegel herum eine Induktionsspule
angeordnet ist.
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Vorzugsweise sieht man vor, daß die Vakuum-Zerstäubungskammer geometrisch
derart angeordnet ist, daß die Metallpartikeln zunächst aufwärts und dann abwärts
wandern.
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Es ist ferner vorgesehen, daß beim Gerät gemäß der Erfindung unter
dem Boden der Schmelzkammer eine mit einer Zutrittsöffnung versehene Beschikkungskammer
angeordnet ist und daß der Schmelztiegel auf einer Hubvorichtung gelagert und mit
dieser aus der Beschickungskammer nach oben in die Schmelzkammer bewegbar ist.
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In weiterer Ausgestaltung kann dann der Schmelztiegel mittels der
Hubvorrichtung in der Schmelzkammer in eine erste Stellung innerhalb der Induktionsspule
und in eine zweite Stellung bewegbar sein, in der das Rohr der rohrförmigen Öffnung
teilweise in den Schmelztiegel eintaucht.
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Die Erfindung wird nun weiter an Hand eines Ausführungsbeispiels
erläutert, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird, die eine Ausführungsform
des Geräts gemäß der Erfindung in senkrechtem Längsschnitt zeigt.
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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung eine
Schmelzkammer 10 auf, die von einer zylindrischen Wand 11 gebildet wird, welche
an ihrem oberen Rand einen Flansch 12 sowie eine Bodenplatte 13 aufweist. An der
Bodenplatte 13 ist innen eine Schutzschale 14 lösbar befestigt. Die Schmelzkammer
ist oben mit einer Deckplatte 15 verschlossen. Die Bodenplatte 13 ist mit einer
Öffnung 13 a versehen, durch die die Schmelzkammer mit einer an der Unterseite der
Bodenplatte 13 befestigten Beschickungskammer 16 verbunden ist. Die Beschikkungskammer
16 ist mit einer Zutrittsklappe 17 versehen, und auf einem Schaft 19, der abgedichtet
gleitend durch eine Öffnung 20 im Boden der Beschikkungskammer 16 hindurchgeführt
ist, ist ein senkrecht beweglicher Tiegelhalter 18 montiert. Elektrische Leitungen
21 treten durch die Außenwand 11 der Schmelzkammer hindurch; an jene ist eine Induktionsspule
22 angeschlossen, die mittig in der Schmelzkammer angeordnet ist. Ein Schmelztiegel
23 ist vorzugsweise auf einer Unterlage aus Sand 24 in einem Haltering 25 auf dem
Tiegelhalterl8 gelagert. Ein Übertragungsrohr 26 ist lösbar und dichtschließend
in einer Öffnung 27 in der Deckplatte 15 befestigt.
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Eine Saug- und Druckleitung 28 ist an die Seitenwand 11 angeschlossen,
um die Schmelzkammer 10 zu evakuieren oder unter Druck zu setzen.
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Über der Schmelzkammer 10 ist eine Vakuum-Zerstäubungskammer 30 vorgesehen,
die aus einem Zylinder mit Endflanschen 31 und 32 besteht, wobei der Zylinder mit
dem Flansch 31 an der Deckplatte 15 befestigt ist. Das Ende des Übertragungsrohres
26 ragt in die Vakuum-Zerstäubungskammer 30 hinein und ist hier mit einer federnd
in Schließstellung geführten Verschlußklappe 36 verschlossen, die von einer Klinke
37 festgehalten wird. Die Vakuum-Zerstäubungskammer 30 ist oben mit einem am Flansch
32 befestigten Deckel 38 verschlossen.
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Die Vorrichtung arbeitet folgendermaßen: Eine
Charge
des zu zerstäubenden Metalls wird in den Schmelztiegel 23 eingebracht, und der Tiegel
wird durch die Zutrittsklappe 17 hindurch auf die Sandunterlage 24 gestellt. Der
Tiegel mit dem Metall wird dann mittels des Schaftes 19 in die Schmelzkammer 10
gehoben, bis sich der Tiegel innerhalb der Induktionsspule 22 befindet. Dann wird
das Metall mittels Induktionsheizung geschmolzen, und die Schmelzkammer wird über
die Leitung 28 evakuiert. Wenn die Charge geschmolzen ist, wird die Schmelzkammer
mit einem Druckgas gefüllt, beispielsweise mit Wasserstoff, der von der Schmelze
absorbiert wird. Die Verschlußklappe 36 wird dann durch Lösen der Klinke 37 gelöst.
Die Metallcharge zerstäubt durch das Übertragungsrohr 26 hindurch in die Vakuum-Zerstäubungskammer
30 hinein, in der ein Vakuum aufrechterhalten wird. Insbesondere bei Verwendung
eines löslichen Gases als Zugabeelement explodiert das Metall in die Vakuum-Zerstäubungskammer
hinein, so daß ein feines Pulver entsteht, das abgekühlt wird, solange es sich noch
im Schwebezustand befindet, woraufhin es in der Vakuum-Zerstäubungskammer 30 gesammelt
wird.
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Eine Zutrittsöffnung 40 ist vorzugsweise auf der Oberseite der Vakuum-Zerstäubungskammer
vorgesehen und mit einer Platte 41 verschlossen, die dichtschließend an der Öffnung
40 befestigt ist.
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Das Übertragungsrohr 26 ist vorzugsweise mit feinen Löchern oder
Bohrungen 42 versehen, durch die das Gas in das aufsteigende Metall hineindiffundiert.
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Gemäß der Darstellung sind Sichtrohre 43, 44, 45 und 46 in der Schmelz-
und Vakuum-Zerstäubungskammer vorgesehen.
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Die Arbeitsweise des Verfahrens gemäß der Erfindung ergibt sich am
besten aus einer Betrachtung des folgenden Beispiels.
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Beispiel Ein Schmelztiegel 23 wurde in der Schmelzkammer in die Induktionsspule
22 gebracht. Dieser Schmelztiegel enthielt Stücke aus einer Legierung mit folgender
Zusammensetzung: C . 0,06 O/o Mn . . . 0,50 O/o Si.. . 0,30 % Ni . . . 57,0% Cr
. . . . . . . 15,00/o Mo . ............. 5,30/o Ti . ..... 3,50/o Al . . 4,40/0
Co ........... 13,00/o Rest Eisen Die Schmelzkammer wurde evakuiert und das Metall
bis zum Aufschmelzen erhitzt. Etwa 95 Minuten später wurde 30 Minuten lang Wasserstoff
in die Schmelzkammer eingeleitet. Gleichzeitig wurde die Leistung von 18 auf 24
kW erhöht, um die Kühlwirkung des Wasserstoffs auszugleichen. Die Temperatur der
Metallschmelze wurde auf 13160 C (optisch gemessen) gehalten. Der Druck in der Schmelzkammer
wurde am Ende der Druckperiode 5 Minuten lang auf 3,15 kp/cm2 gehalten, um die Diffusion
des Wasserstoffs in die Metallschmelze sicherzustellen. Der Schmelztiegel wurde
dann mit dem Schaft 19 angehoben, bis das Übertragungsrohr 26 sich dem Boden desTiegels
nähert, und dieVerschlußklappe 36 wurde gelöst. Das gesättigte Metall wurde durch
das Rohr
26 in die Vakuum-Zerstäubungskammer 30 injiziert, die auf einem Unterdruck
von 14 Mikromillimeter Hg-Säule gehalten wurde.
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Das sich ergebende kugelige Pulver hatte die folgende Siebanalyse:
Korngröße,um % 840 bis 317 .............. 29 840 bis 157 43 157 bis 63 .............
.::::::: 9,7 127 bis 63 . . . 11,8 unter 63 . . . 7,2 Um eine möglichst große Leistung
zu erzielen, verwendet man vorzugsweise Gase, die in der Metallschmelze löslich
sind. Es wurde jedoch gefunden, daß eine Feststoff-Gas-Reaktion im Metall, wie etwa
CQ V2QCO ähnliche Ergebnisse erbringt. Man kann auch inerte, verhältnismäßig unlösliche
Gase, wie etwa Argon, im Rahmen der Erfindung anwenden; hierbei ist die Explosionswirkung
jedoch sehr viel geringer, und der Ertrag an befriedigendem Metallpulver ist kleiner.
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Man kann auch ein Metall mit höherem Dampfdruck, wie etwa Zink, zur
Auslösung der Explosionswirkung in einem Metall mit niedrigem Dampfdruck verwenden.
Bei der Verwendung eines Metalls als Zugabeelement muß man dieses Metall jedoch
so auswählen, daß keine unerwünschten chemischen Reaktionen zwischen den Partnern
auftreten.