AT7111U2

AT7111U2 - Verfahren zum herstellen von erzeugnissen aus metall

Info

Publication number: AT7111U2
Application number: AT0042204U
Authority: AT
Original assignee: Imr Metalle Und Technologie Gm
Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2004-10-25
Also published as: AT7111U3

Abstract

Zum Herstellen von Erzeugnissen aus Metall, wie Pulvern, Folien, Beschichtungen und Formteilen, wie Bolzen, Rohren oder Blechen aus Metall in Form von Halbzeug, wird das Metall des Halbzeuges durch ein induktives Magnetfeld geschmolzen, zerstäubt, auf einen Träger gesprüht und auf dem Träger verfestigt. Das geschmolzene Metall wird in einer Gasdüse (1), die entweder als Laval-Düse oder als Venturi-Düse ausgebildet ist, zerstäubt, indem der Gasdüse (1) ein Gasstrom (4) zugeführt wird, wobei ein langgestreckter Sprühstrahl (6), der eine Breite hat, die wenigstens so groß ist wie die Breite des herzustellenden Erzeugnisses (8), erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Erzeugnissen aus Metall, insbesondere Pulvern, Folien, Beschichtungen und Formteilen, wie Bolzen, Rohre oder Bleche, aus Metallen in Form von Halbzeug.

Die werkstofftechnischen Eigenschaften reaktiver Metalle, wie Titan, Zirkonium, Hafnium, Va- nadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Rhenium und ihrer Legierungen sowie von Superlegierungen (Legierungen auf Basis von Nickel oder Kobalt), werden entscheidend durch ihre Reinheit, insbesondere durch die Abwesenheit von Oxiden und keramischen Verunreinigungen bestimmt. Wegen der hohen Schmelzpunkte der genannten Metalle und Legierungen und der mechanischen Eigenschaften sind Umformverfahren und Verfahren zur spanabhebenden Formge- bung sehr aufwendig.

Aus der US 6,043,451 A ist ein Verfahren zum Plasmabeschichten von Bauteilen und zum Sprühkompaktieren von Folien aus Nickel-Titan-Legierungen bekannt. Das Metall wird bei dem aus der US 6,043,451 A bekannten Verfahren einem Plasmabrenner als Pulver oder Draht zugeführt.

Das Herstellen von Pulver und Draht ist sehr aufwändig und teuer und erfordert mindestens eine Fertigungsstufe ausgehend von (grossformatigem) Halbzeug. Bei pulverförmigem Metall besteht wegen der grossen Oberfläche zusätzlich die Gefahr der Aufnahme von Sauerstoff.

Nachträglich bei dem aus der US 6,043,451 A bekannten Verfahren ist die durch die Radial- symmetrie des Plasmabrenners bedingte Ausbildung eines kegelförmigen Sprühstrahles aus geschmolzenem Metall, wodurch breitere Folien oder Beschichtungen nur durch Überlappen mehrerer Sprühkegel bzw. mehrmaliges Besprühen mit demselben Sprühkegel erzeugt werden können. Die so erzeugten Schichten haben ein ungewünschtes, inhomogenes Oberflächenprofil (vgl. Fig. 2a). Die Produktionsleistung ist mit nur 3 kg/h (50g/min) sehr klein und somit für das Erzeugen dickerer Folien oder Beschichtungen oder von Halbzeugen, wie Bolzen, Rohren oder Blechen, wenig geeignet.

Das Zerstäuben von Flüssigkeiten durch Gasverdüsung ist bekannt.

Beispielsweise ist aus der DE 197 58 111 A ein Verfahren zum Herstellen von Metallpulvern bekannt. Bei diesen bekannten Verfahren tritt die Metallschmelze in Form eines Films aus einer Schmelzdüse mit schlitzförmiger Austrittsöffnung aus. Der Film wird von einer laminaren Gasströ- mung in einer Laval-Gasdüse stabilisiert und anschliessend fein zerstäubt. Die Produktivität des Düsensystems kann durch Verlängern des Düsenschlitzes ohne nachteilige Auswirkungen auf die Pulverqualität beliebig verändert werden. Beim Schmelzen in Behältern besteht jedoch grundsätz- lich die Gefahr der Verunreinigung des erhaltenen Metallpulvers durch Werkstoffe des Behälters.

Aus der DE 41 02 101 A ist ein Verfahren bekannt, bei dem Metalle in Form einer vertikal an- geordneten Stange mit radial symmetrischen Querschnitt unter inerter Atmosphäre durch Induktion am unteren Ende abgeschmolzen werden. Die Schmelze tropft unter dem Einfluss der Schwerkraft und des elektromagnetischen Drucks (resultierend aus der Induktionsspule) ab. Die Tropfen wer- den dann durch einen aus einer Ringspaltdüse austretenden Gasstrom zu einem relativ groben Pulver mit einer mittleren Korngrösse von etwa 50 um mit breiter Korngrössenverteilung zerstäubt.

Die Metallstange wird während des Abschmelzens um ihre Längsachse gedreht und entsprechend dem Verzehr in die Induktionsspule nachgeführt. Dazu ist ein aufwändiger Antrieb erforderlich. Der Gasverbrauch je Kilogramm Metallpulver ist hoch. Feine Pulver mit einer Korngrösse unter 30 um können nur mit geringer Ausbeute hergestellt werden. Die Gesamtproduktivität des aus der DE 41 02 101 A bekannten Verfahrens ist mit etwa 20kg/Stunde gering und kann nicht ohne Quali- tätseinbussen des Pulvers erhöht werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung bereit zu stellen, mit dem ein direktes Überführen von Metall, das in Form kommerziell erhältlicher Halbzeuge vorliegt, in Pulver, Metallfolien, Oberflächenbeschichtungen oder anders- formatige Erzeugnisse (Halbzeuge) mit hoher Produktivität kostengünstig und ohne die Gefahr des Einbringens von Verunreinigungen möglich ist.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, welches die Merkmale vom Anspruch 1 auf- weist.

Vorteilhafte und bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemässen Verfahrens sind Ge- genstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemässen Verfahren wird Metall in Form eines handelsüblich erhältlichen Halbzeuges, das beispielsweise die Form eines Quaders hat, berührungslos aufgeschmolzen und

zu einem linearen, insbesondere keilförmigen Sprühstrahl verdüst. Dieser Sprühstrahl wird benützt, um das gewünschte Erzeugnis aus Metall durch Sprühkompaktieren zu erzeugen, indem bei- spielsweise Oberflächen beschichtet oder Halbzeuge, wie Folien, Bleche oder Bolzen, hergestellt werden.

Insbesondere kann bei dem erfindungsgemässen Verfahren das Metall des Halbzeuges ge- schmolzen, zerstäubt, auf einen Träger gesprüht und auf dem Träger verfestigt werden.

In einer zum Herstellen von Metallpulvern bestimmten Ausführungsform des erfindungsgemä- #en Verfahrens kann ein Halbzug, z. B. ein Bolzen, des Metalls, das eine im wesentlichen recht- eckige Querschnittsform aufweist, induktiv an der Oberfläche seiner beiden Längsseiten seiner Stirnseite aufgeschmolzen werden. Die abzuschmelzende Stirnseite befindet sich innerhalb der laminaren Gasströmung einer linearen Düse. Die beiden Hälften der linearen Venturi-Düse beste- hen aus einem nicht an das Magnetfeld der Induktionsheizung ankoppelnden Werkstoff.

In einer Ausführungsform sind in die Venturi-Halbdüse Rohre aus Metall, vorzugsweise Kupfer, eingelassen, welche als Leiter für den induktiven Erregerstrom bei gleichzeitiger Kühlung durch ein Kühlfluid, beispielsweise Wasser, dienen. Die Rohre sind beispielsweise jeweils an den Enden der Venturi-Halbdüse über weitere Rohre miteinander verbunden.

Bei dieser Ausführungsform streicht die Gasströmung über die schmelzende Oberfläche den Bolzen und fördert die Schmelze in Form eines sehr dünnen Films zur Bolzenspitze. Hier vereini- gen sich beide Filme und der entstehende Flüssigkeitsfilm wird weiter von der laminaren Gasströ- mung stabilisiert, beschleunigt und schliesslich zu feinen Tröpfchen zerstäubt. Bei der Erfindung muss der Flüssigkeitsfilm nicht mit einer nach unten gerichteten Bewegung aus der Düse austre- ten. Das erfindungsgemässe Verfahren arbeitet unabhängig von der Lage, also nicht nur vertikal nach oben, sondern auch horizontal oder vertikal nach unten, sowie in jeder anderen Ausrichtung.

Die Führung des Flüssigkeitsfilmes, insbesondere der Metallschmelze durch die Gasströmung ist stärker als die auf die Schmelze wirkende Schwerkraft. Die Unabhängigkeit der Lage der Zer- stäubungsdüse gibt dem Konstrukteur von Düsungsanlagen gemäss der Erfindung gestalterische Freiheitsgrade, die in iner Verringerung der Bauhöhe der Anlage genutzt werden können.

Weitere Einzelheiten und Merkmale des erfindungsgemässen Verfahrens ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigt Fig. 1 schema- tisch eine Anordnung zum Ausführen des erfindungsgemässen Verfahrens, Fig. 2a eine Beschich- tung, die nach dem Stand der Technik (US 6,043,451 A) erhältlich ist, und Fig. 2b eine Beschich- tung, wie sie mit dem erfindungsgemässen Verfahren herstellbar ist.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung ist eine beispielsweise Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens zum Herstellen einer Folie aus Metall.

Diese Anordnung besteht aus einer länglichen (linearen) Gasdüse 1, in der wassergekühlte Kupferrohre 2 angeordnet sind. Die Kupferrohre 2 dienen dazu, ein induktives Magnetfeld zu erzeugen. Das zu verarbeitende Halbzeug 3 aus Metall mit im wesentlichen rechteckigem Quer- schnitt wird in die langgestreckte Eingangsöffnung der Gasdüse 1 eingeführt und unter Wirkung des induktiven Magnetfeldes berührungslos an seinen Längsseiten geschmolzen.

Eine durch eine nicht näher gezeigte Einrichtung auf die langgestreckte Mündung der Gasdüse 1 gerichtete Gasströmung 4, die bevorzugt symmetrisch ist, also von beiden Seiten des Halbzeu- ges 3 in die Gasdüse 1 gerichtet wird, nimmt das geschmolzene Metall mit und fördert es unter Ausbildung eines dünnen Filmes 5 durch Mündung der Gasdüse 1. Die bei der Erfindung verwen- dete Gasdüse 1 kann als Laval-Düse oder als Venturi-Düse ausgebildet sein. Nach dem Durchtritt durch die engste Stelle der Gasdüse 1 (langgestreckte Mündung derselben) wird der Film 5 aus Metallschmelze zu einem linearen keilförmigen, im wesentlichen zeltförmigen Sprühstrahl 6 zer- stäubt. Der Sprühstrahl 6 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel auf ein endloses und gekühltes Metallband 7 als Träger gerichtet.

Die Tröpfchen geschmolzenen Metalls sind zum Zeitpunkt des Auftreffens auf das Metallband 7 flüssig oder noch wenigstens teilweise flüssig und erstarren zu einer Metallfolie 8 mit homogener Oberfläche (ausgenommen die beiden Ränder). Die Metallfolie 8 kann nach ihrem vollständigen Erstarren, das durch erzwungenes Abkühlen unterstützt werden kann, und Ablösen vom Metall- band 7 zu einer Folienrolle 9 aufgewickelt werden.

Durch Anpassen der Länge des Sprühstrahles 6 über die gesamte (ganze) Breite der Oberflä- che des Trägers 7, z. B. des endlosen Metallbandes 7 oder des Halbezuges - mit Ausnahme der

beiden Ränder - kann Metall in gleichmässiger Dicke auf den Träger 7 aufgebracht werden.

Fig. 2a zeigt das Sprühergebnis mit einer konventionellen Runddüse (vgl. US 6,043,451 A), bei dem mehrere Metallraupen 1 bis 4 nebeneinander gesprüht werden. Fig. 2b zeigt eine Metallfolie 8, die mit dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt worden ist, bei dem in einem einzigen Sprühvorgang eine gleichmässig dicke Metallschicht (Folie 8) entsteht.

Die Produktivität des Verfahrens der Erfindung lässt sich über die Länge des Sprühstrahls sowie über die Abschmelzheizleistung der Induktionsheizung beliebig einstellen.

Das als Rohmaterial in Form von Halbzeug bevorzugt zugefügte Metall wird in einem Arbeits- gang ins Endprodukt übergeführt, kommt daher nur mit dem Verdüsungsgas in Berührung und kann, wenn die Reinheit der Gasatmosphäre hoch genug ist, ohne Zunahme an Verunreinigungen in das Erzeugnis aus Metall übergeführt werden.

Bei dem erfindungsgemäss Verfahren wird in einer Ausführungsform reaktives Metall oder Le- gierung durch Sprühkompaktieren thermisch verdichtet, wobei das Ausgangsmaterial in Form eines Halbzeuges berührungslos, insbesondere induktiv abgeschmolzen und zu einem linearen, keilförmigen Sprühstrahl zerstäubt wird. Die Teilchen des Sprühstrahls werden auf einem Substrat zu einem Erzeugnisses sprühkompaktiert oder als Oberflächenbeschichtung auf ein Bauteil aufge- bracht. Mit dem erfindungsgemäss Verfahren können beliebige Metalle, insbesondere reaktive Metalle, wie Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Rhenium oder eine Legierung auf Basis dieser Metalle, verarbeitet werden.

Insbesondere ist das erfindungsgemässe Verfahren für das Verarbeiten einer Nickel-Titan- Legierung oder einer Superlegierung auf Basis von Nickel oder Kobalt geeignet.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens ist das zu verarbeitende Halb- zeug ein Verbundwerkstoff aus hochschmelzenden Phasen und niedrigschmelzender Bindematrix.

Die hochschmelzende Phase kann ein Carbid sein.

Mit dem erfindungsgemässen Verfahren können unter anderem Erzeugnisse in Form von Fo- lien, Blechen, Rohren oder Bolzen hergestellt werden.

Ein Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens ist es, dass sich die Reinheit des Erzeugnisses nur geringfügig von der Reinheit des Ausgangsmaterials (Halbzeug) unterscheidet.

Bei dem erfindungsgemässen Verfahren besteht die Möglichkeit, die Produktivität je Längenein- heit des Sprühstrahls über die zugeführte Heizleistung (induktive Heizung) stufenlos zu regeln.

Bei dem erfindungsgemässen Verfahren besteht auch die Möglichkeit, nacheinander mehrere langgestreckte Sprühstrahlen auf ein und dassselben Substrat zu sprühen, um eine höhere Schichtdicke zu erzielen.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens werden zusätzlich zu dem Sprühstrahl aus geschmolzenem Metall in Form von Tröpfchen über eine weitere Düse Dispersoi- de gezielt eingebracht. Solche Dispersoide können beispielsweise sein: Siliziumcarbid, Wolfram- carbid, Korund (A1203) oder Zirkoniumoxid. Zweck des Zusatzes solcher Dispersoide und anderer Zusatzstoffe, die auch flüchtig sein können, ist es, die Eigenschaften des Verfahrensproduktes in die gewünschte Richtung zu beeinflussen.

Um das Ablösen des Erzeugnisses vom Träger (Substrat) zu vereinfachen, kann auf das Sub- strat vor dem Sprühkompaktieren ein Trennmittel aufgebracht werden.

Zusammenfassend kann ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wie folgt dargestellt werden:
Zum Herstellen von Erzeugnissen aus Metall, wie Pulvern, Folien, Beschichtungen und Form- teilen, wie Bolzen, Rohren oder Blechen aus Metall in Form von Halbzeug, wird das Metall des Halbzeuges durch ein induktives Magnetfeld geschmolzen, zerstäubt, auf einen Träger gesprüht und auf dem Träger verfestigt. Das geschmolzene Metall wird in einer Gasdüse 1, die entweder als Laval-Düse oder als Venturi-Düse ausgebildet ist, zerstäubt, indem der Gasdüse 1 ein Gasstrom 4 zugeführt wird, wobei ein langgestreckter Sprühstrahl 6, der eine Breite hat, die wenigstens so gross ist wie die Breite des herzustellenden Erzeugnisses 8, erzeugt wird.

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Claims

ANSPRÜCHE : 1. Verfahren zum Herstellen von Erzeugnissen aus Metall, wie Pulvern, Folien, Beschichtun- gen und Formteilen, wie Bolzen, Rohren oder Blechen aus Metall in Form von Halbzeug, <Desc/Clms Page number 4> bei dem das Metall des Halbzeuges geschmolzen, zerstäubt, auf einem Träger gesprüht und auf dem Träger verfestigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das geschmolzene Metall zu einem langgestreckten Sprühstrahl, der eine Breite hat, die wenigstens so gross ist wie die Breite des herzustellenden Erzeugnisses, zerstäubt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das geschmolzene Metall zu einem keilförmigen Sprühstrahl zerstäubt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das geschmolzene Metall in einer Gasdüse zu dem Sprühstrahl zerstäubt wird, indem der Gasdüse ein Gas- strom zugeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Gasdüse eine Laval- Düse oder eine Venturi-Düse verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall im Bereich der Gasdüse berührungslos aufgeschmolzen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall durch ein induktives Magnetfeld aufgeschmolzen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass verfestigtes Metall vom Träger als Metallfolie entfernt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das verfes- tigte Metall auf dem Träger eine auf diesem verbleibende Beschichtung bildet.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Sprühkom- paktieren von Metall wiederholt wird, um höhere Schichtdicken des Erzeugnisses zu erzie- len.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Nickel- Titan-Legierung verarbeitet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Metall aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Kupfer, Aluminium, Zink, Zinn, Titan, Zir- konium, Harfnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Rhenium oder ei- ne Legierung auf Basis von wenigstens zwei dieser Metalle verarbeitet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das verar- beitende Metall eine Superlegierung auf Basis von Nickel oder Kobalt ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das ver- arbeitende Metall ein Verbundwerkstoff aus einer hochschmelzenden Phase und einer niedrigschmelzenden Bindematrix ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die hochschmelzende Pha- se ein Carbid, Oxid oder Nitrid ist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Sprühstrahl aus geschmolzenem Metall in Form von Tröpfchen aus einer weiteren Düse Dispersoide eingebracht werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Dispersoide Carbide, Oxide und/oder Nitride eingebracht werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass beim Her- stellen von Halbzeug vor dem Sprühkompaktieren auf den Träger ein Trennmittel aufge- bracht wird.