DE3802811A1 - Agglomerierte metall-verbund-pulver, verfahren zu ihrer herstellung sowie deren verwendung - Google Patents

Agglomerierte metall-verbund-pulver, verfahren zu ihrer herstellung sowie deren verwendung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Metallpulver-Agglo­ merate aus Einzelpartikeln, die zu mehr als 80 Gew.-% aus einem und/oder mehreren Metallen der Elemente Molyb­ dän, Rhenium oder Wolfram und Bindermetallen aus der Gruppe Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Silber, Gold, Palladium, Platin, Rhodium, Chrom und Rhenium bestehen, Verfahren zur Herstellung dieser Metallpulver-Agglome­ rate sowie deren Verwendung.
Moderne Sinter-Werkstoffe gelangen zu immer größerer Bedeutung und die Anforderungen an die Werkstoff-Eigen­ schaften verlangen immer wieder eine Optimierung von meist gegenläugigen Eigenschaften wie z.B. Härte und Zähigkeit. Da in der Regel mit der Verringerung der Korngröße bei metallischen Werkstoffen, Verbundwerk­ stoffen und Pseudolegierungen auch eine generelle Härtesteigerung erzielt werden kann, ist in der Werk­ stofftechnologie der Trend zu immer feinkörnigeren Werk­ stoffspezies deutlich erkennbar.
So sind aus der Literatur, insbesondere zur Herstellung von Kontaktwerkstoffen (z.B. H. Schreiner, "Pulverme­ tallurgie elektrischer Kontakte", Springer-Verlag Ber­ lin, Göttigen, Heidelberg 1964) Beispiele bekannt, bei denen Verbundwerkstoffe (z.B. AgNi, AgCdO) über eine konventionelle chemische Fällung aus Salzlösungen zu­ nächst als schwerlösliche Verbindungen erhalten werden können, die dann durch nachfolgende thermische Behand­ lung zersetzt und anschließend zu Metallmischpulvern reduziert werden.
In der EP-B 98 944 werden Legierungs-Verbundpulver, be­ stehend aus Wolfram-Metallteilchen mit einer dünnen Hülle aus Metallen der Eisengruppenelemente, beschrie­ ben.
Diese sinterfähigen Wolframlegierungspulver werden durch eine spezielle Sprühtrocknung mit simultaner Wasser­ stoff-Reduktion bei mindestens 800°C erzeugt, wobei aus­ schließlich von löslichen Verbindungen der Legierungs­ elemente ausgegangen wird. Dieses Verfahren ist deshalb nicht universell anwendbar und wegen des notwendigen hohen Energiebedarfs bei der Reaktions-Sprühtrocknung unverhältnismäßig kostspielig. Darüber hinaus ist die Reduktion der agglomerierten Oxide im freien Fall gemäß der EP-B-98 944 apparativ nur schwierig beherrschbar und auch mit großem technischen Aufwand und hohen Betriebs­ kosten verbunden.
Aufgabe dieser Erfindung war es somit Metallpulver- Agglomerate zur Verfügung zu stellen, die die beschrie­ benen Nachteile nicht aufweisen. Es werden nun die er­ findungsgemäßen Metallpulver-Agglomerate gefunden, die diese Anforderungen erfüllen.
Gegenstand dieser Erfindung sind Metallpulver-Agglo­ merate, die aus mehr als 70% aus einem und/oder meh­ reren Metallen der Elemente Molybdän, Rhenium oder Wolfram und Bindemetallen aus der Gruppe Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Silber, Gold, Palladium, Platin, Rhodium, Chrom und Rhenium bestehen, welche dadurch gekennzeichnet sind, daß die Einzelpartikeln Korngrößen von kleiner als 2 µm aufweisen und die Metallpartikeln in gleichmäßiger statistischer Verteilung nebeneinander vorliegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen diese Me­ tallpulver-Agglomerate einen Sauerstoffgehalt von kleiner als 1,5 Gew.-%, vorzugsweise kleiner als 1,0 auf, die Korngröße der Agglomerate ist kleiner als 300 µm, die Korngröße der Einzelteilchen ist kleiner als 1 µm, vorzugsweise kleiner als 0,5 µm.
Gegenstand dieser Erfindung sind auch Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Metallpulver-Agglo­ merate.
Zur Gewinnung der vorliegenden erfindungsgemäßen Me­ tall-Verbund-Pulver können Suspensionen z.B. der Oxide oder Hydroxide der Elemente Wolfram, Molybdän und Rhenium als Vorstoffe dienen, aber auch deren lösliche Verbindungen, z.B. Ammonium-Salze wie Ammoniummeta­ wolframat oder Ammoniummolybdat oder Ammoniumperrhenat in Kombination mit löslichen Salzen der Bindermetalle.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß Verbindungen der Metalle und der Bindermetalle in ionischen oder nichtionischen Flüssig­ keiten gelöst und/oder homogen suspensiert werden, diese Lösungen und/oder Suspensionen zur Trockne gebracht werden und der so erhaltene feste Rückstand unterhalb 600°C nachgeröstet wird und anschließend unter reduzie­ renden Bedingungen bei Temperaturen von 600 bis 1200°C zum Metallpulver umgesetzt werden.
Als Metall- bzw. Bindermetallverbindungen sind die Nitrate bevorzugt. Die Bindermetalle können aber auch als unlösliche Verbindungen, z.B. in Form von Oxiden und/oder Hydroxiden eingesetzt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß als Verbin­ dungen der Metalle Mo, Re und W die Oxide und als Ver­ bindungen der Bindermetalle die Nitrate in gemeinsamer wäßriger Suspension eingesetzt werden.
Es kann auch die Verfahrensvariante bevorzugt durchge­ führt werden, in der als Verbindungen der Metalle Mo, Re und W die Ammoniumsalze der Säureanionen dieser Me­ talle als Verbindungen der Bindermetalle die Nitrate in gemeinsamer wäßriger Lösung eingesetzt werden.
Man setzt dabei die Verbindungen der Legierungs-Basis- Metalle und der Bindermetalle in Form von Lösungen und/oder Suspensionen in ionogenen oder auch nicht­ ionogenen Flüssigkeiten ein, welche zur Erzeugung von möglichst homogenen Vorstoff-Gemischen zur Trockne ge­ bracht und im Bedarfsfalle zwecks Ausbildung der wasser­ freien Oxidmischungen noch vorgeröstet werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des er­ findungsgemäßen Verfahrens wird die Trocknung der Lö­ sungen und/oder Suspensionen in Sprühtrockner-Appa­ raturen durchgeführt. Dieser Sprühtrocknung schließt sich gegebenenfalls eine thermische Nachbehandlung an, um die Oxidmischungen zu erhalten. Die Ausgangsmischung muß zur Stabilisierung der Suspension hinreichend lange intensiv gerührt und fließfähig gehalten werden, um bei einer sich anschließenden Sprühtrocknung keine Störungen hervorzurufen.
Im allgemeinen reichen die Bedingungen einer "normalen" Sprühtrocknungsanlage (ca. 300°C) für die Trocknungs­ stufe aus. Um aber Restanionen aus dem homogenen Salzge­ misch zu entfernen, muß in diesen Fällen eine zusätz­ liche Pyrolysestufe bei mindestens 600°C nachgeschaltet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Trocknung der Lösungen und/oder Suspensionen mittels Gefrier-Trocken-Verfahren durchgeführt.
Aber auch andere bekannte Ausgangsmischungen sind ein­ setzbar; es ist dabei wesentlich, daß eine homogene Verteilung der Metall- und Bindermetallverbindungen gewährleistet ist.
Da bei dem vorliegenden Verfahren die bekannte und be­ währte Methode der Wasserstoff-Reduktion zur Anwendung kommt, sind keine besonderen Ofen notwendig. Als vor­ teilhaft haben sich jedoch Drehrohröfen erwiesen, die einen kontinuierlichen Betrieb erlauben und in der Ein­ stellung der Reaktionsparameter sehr einfach zu bedienen sind.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht somit darin, daß die Umsetzung unter reduzierenden Bedingungen in einer Wasserstoffatmosphäre in einem Drehrohrofen kontinuierlich durchgeführt sind.
Selbstverständlich müssen die Öfen allgemein eine ge­ schlossene Gasatmosphäre ermöglichen, die alternativ jedoch auch oxidativ (röstend) benutzt werden können, wie aus den zuvor genannten Verfahrensstufen leicht ab­ zuleiten ist. Weitere bevorzugte Formen von Reduktions­ apparaturen sind Durchschuböfen, wobei Festbettreaktio­ nen in Tiegeln oder Schiffchen durchgeführt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Umsetzung unter reduzierenden Bedingungen in einem Schiffchen-Durch­ schubofen als halbkontinuierliches Verfahren durch­ geführt.
Da neben Oxidsuspensionen sich ebenso problemlos lös­ liche Systeme mit dem gleichen Ergebnis verarbeiten lassen, können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch solche Systeme zu Legierungs-Mischpulvern aufbereitet werden, deren Lösungen störende Anionen wie z.B. Chlo­ ride und/oder Fluoride enthalten. Solche Elemente würden bei einer Reaktions-Sprühtrocknung zu einer erheblichen Belastung der Umwelt und nicht zuletzt zu Werkstoff- Korrosionsproblemen der Reaktionsbehälter führen.
Bei der erfindungsgemäßen Reduktion der Mischoxide der Gruppe Mo, W, Re mit ausgewählten Bindermetalloxiden im Wasserstoffstrom bei maximal 850°C entstehen hochporöse, sehr feinteilige und daher sehr sinteraktive Pulver­ agglomerate mit Metall-Partikeln der Elemente Mo, W, Re im Submicronbereich und Matrixmetall- bzw. Legierungs­ partikel, die ganz besonders feinkörnig oder sogar röntgenamorph anfallen.
Es ist auch möglich, daß einzelne als Bindermetalle ge­ nannte Elemente (z.B. Rhenium) mit den erstgenannten Metallen (z.B. Wolfram) bei höheren Temperaturen Le­ gierungen mit Mischkristallphasen bilden. Diese fallen jedoch nach der Reduktionsstufe zunächst als heterogene Metall-Verbundpulver an, bevor sie in einer zusätzlichen Diffusionsstufe bei höherer Temperatur in die homogene Mischkristallform übergehen.
Für Systeme mit hohem Chrom-Gehalt als Bindermetall (größer als 10%) müssen die Reduktionstemperaturen bis auf 1000°C gesteigert werden.
Die erfindungsgemäßen agglomerierten Verbundpulver sind bestens geeignet, durch Pressen und Sintern oder mit sonst üblichen Verfahren der Pulvermetallurgie Sinter­ teile hervorzubringen, die sich durch gleichmäßige Ge­ fügeausbildung, Porenfreiheit und durch extreme Feinkör­ nigkeit des Kristallgefüges auszeichnen. Derartige Le­ gierungen erreichen dadurch Höchstwerte in ihren mechanischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Biege­ bruchfestigkeit, Härte usw. Diese Eigenschaftskombina­ tionen sind nach konventionellen Verfahren der Pulver­ metallurgie, d.h. durch einfaches Mischen entsprechend feinteiliger Ausgangskomponenten praktisch nicht er­ reichbar.
Die erfindungsgemäßen Metall-Verbundpulver sind sehr sinteraktiv und lassen sich vorteilhaft auch ohne das Auftreten von flüssigen Phasen zu porenfreien Form­ körpern sintern, wobei die Gefüge Korngrößen unter 5 µm und dazu ein sehr enges Kornverteilungssprektrum auf­ weisen.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten heterogenen Wolfram/Rhenium-Verbundpulver, speziell im Falle der Verwendung homogener Lösungen der Ausgangs­ stoffe, ergaben im Vergleich zu den bekannten Mischungs­ legierungspulvern eine nahezu ideale Gleichverteilung der Elemente Wolfram und Rhenium im Sinterkörper. Mit keinem der bisher bekannten pulvermetallurgischen Ver­ fahren erreicht man eine solche Homogenität der Element­ verteilung bei der Herstellung von Wolfram/Rhenium-Le­ gierungen. Derartige Legierungen lassen sich bezüglich des Wolfram-Rhenium-Verhältnisses in weiten Grenzen variieren, solange die Ausgangs-Metallverbindungen homogene Lösungen darstellen.
Gegenstand dieser Erfindung ist somit auch die Verwen­ dung der erfindungsgemäßen Metallpulver-Agglomerate zur pulvermetallurgischen Herstellung von Sinter-Legierungs- Formkörpern.
Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft erläutert, ohne daß hierin eine Einschränkung des Erfindungsge­ dankens zu sehen ist.
1. Beispiel (festphasensinterfähiges Schwermetall)
In 15 l destilliertem Wasser werden 4,7 kg Nickel­ nitrat und 1,71 kg Eisennitrat unter Erwärmen und Rühren gelöst und mit 15 kg Ammoniumparawolframat zu einer Suspension verrührt. Nach dem Sprühtrock­ nen und Nachglühen erhält man ein ockerfarbenes Pulver, welches nach Röntgenbeugung aus Nickel- Eisen-Wolframat und Wolframoxid besteht. Das Oxid­ gemisch wird anschließend mit Wasserstoff bei maxi­ mal 800°C in gewöhnlichen Reduktionsöfen zu dem Schwermetall-Legierungs-Verbundpulver reduziert.
Nach der ESCA-Analyse besteht das Pulver aus Sub­ micron-Wolframpartikeln neben Nickel-Eisen-Le­ gierungspulver in gleichmäßiger Verteilung.
Die chemische Analyse weist folgende Zusammen­ setzung des Pulvers auf:
Wolfram 90,64%, Eisen 2,06%, Nickel 7,08%, Sauerstoff 0,20%
Die Korngrößenanalyse der mit einer SHIMADZU-Zen­ trifuge ergibt nach 10minütiger Scherfeld-Disper­ gierung der deagglomerierten Partikeln in Wasser die Kornverteilung mit einer Durchschnittskorngröße (D 50/50) von 0,3 µm gemäß Fig. 1.
Die Teilchengrößenverteilung ist hier zu entnehmen. Dabei ist auf der Abzisse der Teilchendurchmesser (µm) gegen den Durchgang (Vol.-%) aufgetragen.
Sinterproben-Test:
Nach Verpressen, Vorsintern unter strömenden Wasserstoff (6 h bei 92C°C) und Dichtsintern bei 125C°C über 4 h schließt sich eine Entgasung bei der gleichen Temperatur im Vakuum (10 hoch minus 4 Torr) 30 Minuten lang an. Nach der Abkühlung werden folgende Werte an den Zugproben ermittelt: Zugfestigkeiten <1200 N/mm2 bei Dehnungen zwischen 20 und 30%. Die Dichte wurde zu 17,3 g/cm3 er­ mittelt und ein Gefügeanschliff zeigt eckige W- Körner in einer porenfreien Matrix. Die Gefüge­ struktur der Sinterkörper-Testproben wird aus den fotographischen REM-Aufnahmen der Abb. 1 ersichtlich.
2. Beispiel (Wolfram-Rhenium-Legierungspulver)
25 Liter einer Ammoniummetawolframat-Lösung, die neben 170 g/l an WO3 noch 21,9 g/l Rhenium in Form von Ammoniumperrhenat enthält, werden in einem Sprühtrockner (Kompakt-Anlage der Firma ANHYDRO AS/Dänemark) zu einem Oxidgemisch sprühgetrocknet. Das Trocken-Produkt wird anschließend unter einem Wasserstoff-Strom von ca. 1,6 m/s bei einer Tempe­ ratur von 750°C in einem gasdichten Durchschubofen mit einer Verweilzeit von 4 Stunden reduziert.
Die Reaktion führt zu einem heterogenen Legierungs­ pulver mit einer Zusammensetzung: Wolfram : Rhenium = 90/10.
Das heterogene Legierungspulver wird zur Ausbildung der Misch-Kristallphasen einer anschließenden 8­ stündigen Diffusionsbehandlung bei 130C°C unterzo­ gen, wobei man einem geschlossenen Tiegelofen eben­ falls unter Wasserstoffatmosphäre arbeitet.
Es entsteht ein homogenes Legierungspulver Wolfram/Rhenium, das nach der Röntgen-Feinstruktur­ analyse kein freies Rhenium mehr enthält.
Die durchschnittliche Korngröße des fertigen Le­ gierungspulver beträgt 0,8 µm (nach FSSS), die Schüttdichte wird zu 28,3 inch/cm3 gemessen.
Die metallographische Untersuchung eines Sinter­ körpers aus diesem Material mittels Microsonde be­ stätigt die gleichmäßige Verteilung des Elementes Rhenium über den gesamten Prüfkörper.

Claims (10)

1. Metallpulver-Agglomerate aus Einzelpartikeln, die zu mehr als 70 Gew.-% aus einem und/oder mehreren Metallen der Elemente Molybdän, Rhenium oder Wol­ fram und Bindemetallen aus der Gruppe Eisen, Ko­ balt, Nickel, Kupfer, Silber, Gold, Palladium, Pla­ tin, Rhodium, Chrom und Rhenium bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelpartikeln Korngrößen von kleiner als 2 µm aufweisen und alle Metall­ partikeln gleichmäßig statistischer verteilt nebeneinander vorliegen.
2. Metallpulver-Agglomerate gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Sauerstoffgehalt von kleiner als 1,5 Gew.-%, vorzugsweise kleiner als 1,0 Gew.-%, aufweisen, die Korngröße der Agglo­ merate kleiner als 300 µm, die Korngröße der Einzelpartikeln kleiner als 1 µm, vorzugsweise kleiner als 0,6 µm ist.
3. Verfahren zu Herstellung der Metallpulver-Agglome­ rate gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Verbindungen der Metalle und der Bindermetalle in ionischen oder nichtionischen Flüssigkeiten gelöst und/oder homogen suspendiert werden, diese Lösungen und/oder Suspensionen zur Trockene gebracht werden und der so erhaltene feste Rückstand unterhalb 600°C nachgeröstet wird und an­ schließend unter reduzierenden Bedingungen bei Tem­ peraturen von 600 bis 1200°C zum Metallpulver umge­ setzt werden.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbindungen der Metalle Mo, Re und W die Oxide und als Verbindungen der Bindemetalle die Nitrate in gemeinsamer wäßriger Suspension einge­ setzt werden.
5. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbindungen der Metalle Mo, Re und W die Ammoniumsalze der Säureanionen dieser Metalle als Verbindungen der Bindermetalle die Nitrate in ge­ meinsamer wäßriger Lösung eingesetzt werden.
6. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trocknung der Lösungen und/oder Suspensio­ nen in Sprühtrockner-Apparaturen durchgeführt wird.
7. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trocknung der Lösungen und/oder Suspensio­ nen mittels Gefrier-Trocken-Verfahren durchgeführt wird.
8. Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung unter reduzierenden Bedingungen in einer Wasser­ stoffatmosphäre in einem Drehrohrofen kontinuier­ lich durchgeführt wird.
9. Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung unter reduzierenden Bedingungen in einem Schiffchen Durchschubofen als halbkontinuierliches Verfahren durchgeführt wird.
10. Verwendung der Metallpulver-Agglomerate gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 9 zur pulverme­ tallurgischen Herstellung von Sinter-Legierungs- Formkörpern.
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