EP2178663A2 - Verfahren, bei dem durch mikrowellen erwärmtes metallpulver stranggepresst wird - Google Patents
Verfahren, bei dem durch mikrowellen erwärmtes metallpulver stranggepresst wirdInfo
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Definitions
- the invention relates to a method for producing a profile by extrusion of powder of metal and / or metal alloys, in which method a powder bed is heated to an extrusion temperature below the melting temperature of the powder and pressed under pressure through an opening of a die to the profile.
- a billet is pressed as a metallic block material through the opening of a die in an extrusion press in the normal case.
- the powder stocks are usually encapsulated in a container because of their low heat conduction prior to extrusion, and typically, e.g. by cold isostatic pressing, compacted.
- the poor heat conduction of the powder beds is made even more difficult by the oxide layers acting as an insulator on the metal particles. Due to the higher density and encapsulation during pressing, the heat transfer improves, and the entire powder bed can be heated by external heat homogeneously to the desired extrusion temperature, however, the time until the powder bed has set by heat conduction a uniform temperature distribution, relatively long is. For this reason, the direct processing of metallic powders in extrusion presses has not been successful.
- the intended for extrusion powder bed must be brought as homogeneous as possible to the desired extrusion temperature.
- the powder bed according to the prior art is heated in a suitable container either inductively or in a convection oven. It is important to ensure that the heating process takes long enough to a possible ensure uniform temperature distribution within the powder bed. As a result of this long wait to ensure the temperature homogeneity occurs an undesirable delay in the production process. Furthermore, the risk of excessive heating in the outer surface layers of the bed and / or too long a heat treatment time increases. This is of particular importance if from at least two different components existing powder, so-called composite powder whose components at elevated temperature, either individually, eg by oxidation, or among themselves tend to undesirable reactions, to be processed.
- the invention has for its object to provide a method of the type mentioned, with which a rapid and uniform heating in all areas of the powder bed can be achieved.
- At least one metal or a metal alloy of the powder is a reactive metal spontaneously forming a natural oxide protective layer on a free surface and / or the powder homogeneously distributed in the powder bed, containing microwave radiation, fibrous particles, and that the powder bed is heated to the extrusion temperature by microwave irradiation.
- the cavities between the powder particles including the oxide layers act as so-called "waveguides" for the microwaves, since they correspond in dimension to the wavelength of the microwave radiation.Thus the microwave radiation can unhindered and under multiple reflection the entire range of the microwave radiation Penetrate powder bed homogeneously.
- the density of the powder bed or the dimension of the cavities between the powder particles including the oxide layers can be tuned by an appropriate compression of the powder bed in addition to the wavelength of the microwave radiation.
- the powder in addition to the metal particles, also absorbs microwave radiation energy absorbing fibrous components, such as e.g. Contains carbon nanotubes (CNTs), they act locally as receiving antennas or absorber for the microwave radiation.
- fibrous components such as e.g. Contains carbon nanotubes (CNTs)
- they act locally as receiving antennas or absorber for the microwave radiation.
- the fibrous constituents are homogeneously distributed in the powder bed or, in the optimal case, even integrated at least partially into the metallic powder particles, a very effective and homogeneous heating of the entire bed can be achieved in this way. This effect can be enhanced by tuning the length of the fibrous components as closely as possible to the wavelength of the microwave radiation.
- the powder bed when heated to the extrusion temperature, is first irradiated with low microwave energy at a varying frequency and the absorbed energy is measured as a function of the frequency.
- the so-called resonance frequency results in a maximum of the absorbed energy. With this frequency, the powder feed is now irradiated with high microwave energy, resulting in an effective energy input.
- the Frequenzabadosvorgang (sweep) with low microwave energy and the subsequent irradiation with high microwave energy with the resonant frequency for heating the Pulversch ⁇ ttung to extrusion temperature can also be carried out fully automatically by means of control electronics, so that adjusted for different Pulver thoroughlysvorgang (sweep) with low microwave energy and the subsequent irradiation with high microwave energy with the resonant frequency for heating the Pulversch ⁇ ttung to extrusion temperature can also be carried out fully automatically by means of control electronics, so that adjusted for different Pulver thoroughlysvorgang (sweep) with low microwave energy and the subsequent irradiation with high microwave energy with the resonant frequency for heating the Pulversch ⁇ ttung to extrusion temperature can also be carried out fully automatically by means of control electronics, so that adjusted for different Pulver thoroughlysvorgang (sweep) with low microwave energy and the subsequent irradiation with high microwave energy with the resonant frequency for heating the Pulversch ⁇ ttung to extrusion temperature can
- the powder bed can first be precompressed, for example, by means of a screw conveyor in an intermediate container. Subsequently, the thus pre-compressed powder bed in the intermediate container is irradiated with the resonant frequency and thereby heated quickly and uniformly to extrusion temperature. By means of a punch, the precompressed and heated to extrusion temperature powder bed is pushed out of the intermediate container through the die opening. In this way, a continuous extrusion of metallic powder material can be realized.
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Abstract
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Profils durch Strangpressen von Pulver aus Metall und/oder Metalllegierungen wird eine Pulverschüttung auf eine Strangpresstemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Pulvers erwärmt und unter Druck durch eine Öffnung einer Matrize zu dem Profil verpresst. Wenigstens ein Metall oder eine Metalllegierung des Pulvers ist ein reaktives, an einer freien Oberfläche spontan eine natürliche Oxidschutzschicht bildendes Metall und/oder das Pulver enthält homogen in der Pulverschüttung verteilte, Mikrowellenstrahlung absorbierende, faserartige Partikel. Die Pulverschüttung wird durch Mikrowellenbestrahlung auf Strangpresstemperatur erwärmt. Mit dem Verfahren wird eine schnelle und gleichmässige Erwärmung in allen Bereichen der Pulverschüttung erreicht.
Description
Pulvermetallurgisches Verfahren zur Herstellung eines Strangpressprofils
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.
Im Stand der Technik wird in einer Strangpressanlage im Normalfall ein Pressbolzen als metallisches Blockmaterial durch die Öffnung einer Matrize gedrückt. Beim Strangpressen von pulverförmigen Materialien werden die Pulverschüt- tungen 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.
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, verarbei- tet werden sollen.
Die vorstehend beschriebenen Verfahren nach dem Stand der Technik sind beispielsweise in EP-A-O 327 064, US-A-4 050 143 oder US-A-4 699 657 offenbart.
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.
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 Mik- rowellenbestrahlung auf Strangpresstemperatur erwärmt wird.
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 unter- stützt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Hohlräume zwischen den Pulverteilchen einschliesslich der Oxidschichten als so genannte „Waveguides" 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.
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.
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.
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 Pulver- schüttung mit hoher Mikrowellenenergie durchstrahlt, wodurch sich eine wirkungsvolle Energieeinkoppelung ergibt.
Der Frequenzabstimmungsvorgang (sweep) mit niedriger Mikrowellenenergie und die nachfolgende Durchstrahlung mit hoher Mikrowellenenergie mit der Resonanzfrequenz zum Erwärmen der Pulverschϋttung auf Strangpresstemperatur kann mittels einer Steuerelektronik auch vollautomatisch durchgeführt wer- den, so dass für verschiedene Pulverschüttmengen und Pulverzusammensetzung immer die optimale Frequenz der eingekoppelten Mikrowellenenergie eingestellt wird.
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 Strangpress- temperatur erwärmte Pulverschüttung aus dem Zwischenbehälter durch die Matrizenöffnung gedrückt. Auf diese Weise lässt sich ein kontinuierliches Strangpressen von metallischem Pulvermaterial realisieren.
Claims
1. Verfahren zur Herstellung eines Profils durch Strangpressen von Pulver aus Metall und/oder Metalllegierungen, bei welchem Verfahren eine Pulver- schüttung 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 Oxid Schutzschicht 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.
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