DE2336339A1 - Verfahren zur herstellung kugelfoermiger hohler partikel - Google Patents

Description

Verfahren zur Herstellung kugelförmiger hohler Partikel

Die Erfindung betrifft sin Verfahren zur Herstellung kugelförmiger hohler Partikel. Bisher konnte man solche Partikel lediglich aus keramischen Materialien wie Kohlenstoff, Aluminiumoxiden oder Glas herstellen; es sind auch einige Fälle bekanntgeworden, in denen hohle Partikel aus Aluminium hergestellt worden sind; jedoch eignete sich diese Art der Herstellung nicht für die Massenproduktion.

Bis jetzt gibt es jedoch keine Verfahren zur Herstellung kugelförmiger hohler Partikel aus Eisen oder Eisenlegierungen, das im industriellen Maßstab anwendbar ist und es irgendwie ermöglicht, die Dichte und die Wandstärke der Pa±ikel in befriedigender Weise zu bestimmen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einsolches Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu/schaffen.

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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß eine Metallschmelzenströmung durch einen Punkt hindurchgeführt wird, in dem mehrere, zueinander ringförmig angeordnete Wasserstrahlen konvergieren .

Derartige hohle Partikel eignen sich wegen ihrer im Zuge ihres Herstellungsverfahrens beeinflussbaren Eigenschaften hinsichtlich Durchmesser, Wandstärke, Härte und ferner der Möglichkeit, zusammengefügte Massen mit oder ohne Binde- und Füllmittel herzustellen, insbesondere für die Herstellung - jedweder leichtgewichtiger Strukturen, sowie von stoßdämpfenden oder hitzebeständigen Materialien.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es stellen dar:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Wasserstrahldüse zur Durchführung des VErfahrens;

Fig. 2 eine teilweise Draufsicht auf die Unterseite der Anordnung nach Fig. Ij

Fig. 3 einen vergrößerten teilweisen Querschnitt durch den Spalt einer Wasserstrahldüse nach Fig. *»

Fig. 4 einen vergrößerten, teilweisen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Wasserstrahldüse zur Durchführung des VErfahrens;

Fig. 5 eine teilweise Draufsicht auf eine Wasserstrahldüse gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;

Fig. 6 eine Darstellung der kummulativen Verteilung der Partikelgröße (Durchmesser der Partikel in ma entlang der Abszisse und Prozentsatz der Partikel, die nicht größer als der auf der Abszisse angegebene Wert sind, auf der Ordinate in %i

Fig. 7 eine Darstellung der Beziehung zwischen dem Durchmesser und der Dichte der Partikel (Gröfte auf der Abszisse in mm und die Dichte auf der Ordinate)j

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Fig. 8 eine Darstellung der Beziehung zwischen dem Durchmesser und der Wandstärke der Partikel (Durchmesser auf der Abszisse und Wandstärke auf der Ordinate jeweils In mm).

Die Herstellung der kugelförmigen hohlen Partikel hängt von der Qualität der- Metallschmelze» dem . . Wasserdruck der Strahlströmung und der» Art und Weise des Aufpralls der Wasserstrahlen auf die Metallschmelze ab. Dabei erfolgt die Erzeugung von linearen Wasserstrahlen durch eine ringförmige Anordnung derselben und* zwar derart, daß sie an einem einzigen Punkt zusammentreffen (konvergieren), durch diesen,Ring von Wasserstrahlen bzw. durch diesen Punkt ihrer Konvergenz wird die Metallschmelze als dünner Strom hindurchgeleitet.

Fig. i zeigt die Wasserstrahldüse zur Herstellung kugelförmiger hohler Partikel aus Eisen oder einer Eisenlegierung im Querschnitt. Sie besteht aus dem Kern 1, dem Gehäuse 2 und dem Ring 3. Der Kern 1 ist als hohler Zylinder ausgebildet, dessen eines Ende außen derart abgeschrägt ist, daß es sich konisch verjüngt; der Konus hat den Winkel · . Am anderen Ende ist ein Außengewinde 9 vorgesehen. Ist der Kern 1 im Gehäuse 2 eingeschraubt, kann seine vertikale Stellung im Gehäuse 2 mit Hilfe des Außengewindes 9 dadurch justieren, daß man ihn dreht, Ein entsprechendes Innengewinde 9' ist in der Oberseite des Gehäuses 2 vorgesehen; darin greift das Außengewinde ein. Seitlich in der Wand des Gehäuses 2 sind zwei Wasserzuführungs-

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BAD ORIOiNAt

öffnungen 6 vorgesehen. Der Ring 3 weist in seiner Mitte eine Öffnung auf, deren Querschnitt sich nach unten (Fig. 1) hin konisch verjüngt. Der Konus hat einen öffnungswinkel β ; er ist etwas größer als der Winkel c< des Konus an der Außenseite des Kerns 1. Der Ring 3 paßt um das untere Ende des Kerns 1 herum und ist mit Bolzen H am Gehäuse 2 befestigt.

Wie aus Fig. 2 zu ersehen, ist um die öffnung in der Mitte des Ringes 3 eine ■ Reihe von kleinen Schlitzen ^v^5s^Ten; sie haben eine Breite von 0.1 bis 0.5 mm und eine Tiefe von 0.05 bis 0.3mm. Die Schlitze sind in gleichen Abständen von 0.1 bis lmm um die öffnung des Ringes 3 herum vorgesehen.

Der geschlitzte Ring und der schlitzlose glatte Konus des Kerns 1 definieren zwischen sich einen Spalt 8. Diesen ringförmigen Spalt 8 kann man in ähnlicher Weise auch dadurch schaffen, daß man entlang des Umfangs des Konus am Kern 1 Schlitze anbringt und den Konus der öffnung im Ring 3 schlitzlos ausbildet.

Fig. 3 ist eine vergrößerte Darstellung einer Wasserstrahldüse,

bei der die Schlitze 12, in den Ring 3 eingeschnitten sind;

Fig. k ist eine vergrößerte Darstellung einer Wasserstrahldüse, bei der die Schlitze 12 in den Kern i eingeschnitten sind. Eine weitere alternative Ausführungsform ist in Fig. 5 dargestellt, die die Unterseite einer Wasserstrahldüse zeigt. Dabei sind Schlitze 12 in Form kleiner öffnungen entlang des Umfangs der aneinanderstoßenden Außenflächen des Rings 3 und des Kerns 1 vorgesehen; diese Flächen sind dicht aneinander gefügt. Die Strahlen, die durch die Schlitze 12 austreten, konvergieren derart, daß sie einen auf dem Kopf

stehenden Kegel bilden.

Durch die Wasserzuführungsöffnungen 6 (Fig. 1) wird dem Raum 7, der vom Gehäuse 2 umschlossen wird, Wasser zugeleitet. Es tritt aus dem ringförmigen Spalt 8 zwischen Kern 1 und Ring 3 als ein

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auf dem Kopf stehender Kegel linearer,Wasserstrahlen aus. Da die innere Fläche des Rings 3 mit Schlitzen 12 versehen ist, bildet das Wasser, das zwischen der ebenen Oberfläche des Konus am Kern 1 und jedem der Schlitze 12 austritt, jeweils eine feine Linie. Die Dicke dieser als feine Linie ausgebildeten Wasserströmung kann durch Justierung des Spaltes zwischen dem Ring 3 und der konischen Außenfläche des Kerns 1 oder durch Verwendung verschiedenerRinge 3, die Schlitze 12 unterschiedlicher Breite und Tiefe versehen sind, eingestellt werden.

Die mittlere öffnung im Kern 1 ist mit der mittleren öffnung im Ring 3 so ausgerichtet, daß das Wasser dem geschlitzten ringförmigen Spalt entlang seines Umfangs gleichmäßig zugeführt wird. Um dies zu gewährleisten, ist der Kern 1 in das Gehäuse 2 eingeschraubt J dann werden die Bolzen H angezogen, während Kern 1 und Gehäuse 2 miteinander koaxial ausgerichtet sind.

Die Wasserströmung, die aus dem ringförmigen Spalt der Wasserstrahldüse austritt, ist so entlang des Umfangs des Spaltes 8 gleichmäßig verteilt und tritt in Form linienförmiger Strahlen aus den kleinen Schlitzen 12, die auf der Innenseite desRinges 3 vorgesehen sind, aus.

Bei dem Material, aus dem die kugelförmigen hohlen Partikel hergestellt werden, und aus dem die Metallschmelze erstellt wird, handelt es sich um Eisen oder um eine Eisenlegierung, der zumindest einer der folgenden Bestandteile innerhalb der angegebenen Gewichtsbereiche zugegeben ist: 1-20 % Nickel, 1-10% Kupfer, 0.1-5% Graphit, 0.1-5% Silicium, 0.01-2% Schwefel, 0.01-2% Phosphor, 0.1-10 % Mangan, 0.1-5% Chrom und 0.005-3% Aluminium; sofern die Eigenschaften jedoch gleichwertig sind, können auch andere Metall bzw. Metallegierungen als Schmelzen verwendet werden.

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Die Metallschmelze wird in den Kern 1 der Wasserstrahldüse nach Fig. 1 aus einem Schmelztiegel eingeleitet. Ein Schmelztiegel weist, um diese Zuleitung zu ermöglichen, an seiier Unterseite eine öffnung von 2-10 mm 0 auf. Es ergibt sich demzufolge ein 2-10 mm dicker Metallschmelzenstrom 5, der die Innenöffnung des Kerns 1 nach unten durchfällt. Das Auftreffen des Wasserstrahls auf den Metallschmelzenstrom 5 bewirkt, daß dieser in Tröpfchen aufgebrochen wird, die kreisförmige hohle Partikel bilden. Das ergibt sich beim Zusammenwirken der Wasserstrahlen mit der Metallschmelze. Die kugelförmigen Partikel fallen dann in Wasser, das unterhalb der Düse angeordnet ist, und werden nach entsprechender Abkühlung eingesammelt.

Das fein geschmolzene Metall passiert, nachdem es durch die öffnung in der Mitte des Kerns 1 hindurchgefallen ist, die linsenförmigen Wasserstrahlen, die aus dem ringförmigen Spalt 8 austreten. Das Wasser bricht dann, wie bereits erwähnt, den Metallschmelzenstrom in einzelne Teilchen auf, d.h. es "fragmentiert" ihn. In Tröpfchen der Metallschmelze werden die Wassertröpfchen eingeschlossen. Sie spalten sich infolge der Hitze in H«- und O₂TGaSe auf; mit dem in Form von Graphit zur Verfügung gestellten C in der Metallschmelze reagieren diese Wassertröpfchen und bilden CO- und C0_-Gase. Mi€^eSrstarren der Schmelze werden diese H₂~, 0₂~, CO-, CO₂- und S0₂-Gase, die sich durch Reaktion des Wassers mit der Metallschmelze bilden, zusammen mit den H_-, 0_- und N₂-Gasen, die in der Metallschmelze gelöst sind,frei und bewirken, daß sich die Tropfehen der Metallschmelze von innen her expandieren bzw. sich aufweiten und damit im Inneren derselben einen Hohlraum bilden. Auf diese Weise bilden sich die hohlen kugelförmigen Partikel. Nun hat die linienförmige Wasserströmung eine geringere Kühlkapazität als eine flächige Strömung. Demgemäß wird die Kühlung der Metallschmelze beim Durchtreten durch die linienförmige Wasserströmung verzögert. Das hat zur Folge, daß die Tröpfchen der Metallschmelze infolge ihrer Oberflächenspannung kugelförmige Form annehmen. Auf diese Weise entstehen die hohlen kugelförmigen Partikel. Würde man eine

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kontinuierliche flächenartige Strömung mit gleichmäßiger Dicke aus einer entsprechenden Wasserstrahldüse mit einem Ring und einem Kern mit jeweils glatter konischer Verjüngung, also ohne derartigen Schlitze, austreten lassen, wäre es wahrscheinlich kaum möglich, solche hohlen Partikel zu erzeugen. Als Folge der Konvergenz der Wasserströmung in Form eines auf der Spitze stehenden Kegels werden die Tröpfchen der Metallschmelze, die aus dem Schmelztiegel ausfließt, von der geneigten Oberfläche des auf der Spitze stehenden Kegels, der durch die Wasserstrahlen gebildet wird, eingefangen. Diese beschriebene Art der Herstellung der hohlen Partikel ist äußerst wirtschaftlich.

Im folgenden werden einige Beispiele des Herstellungsverfahrens gegeben; sie sind jedoch ausdrücklich lediglich als Ausführungsbeispiele aufzufassen, von denen im Rahmen des aufgeführten Erfindungsgedankens Abweichungen möglich sind. Die gemachten Prozentangaben betreffen dabei jeweils Gewichts-Prozente.

Beispiel 1:

Fünfzehn kg Eisen in Form von Elektrolyt-Eisen und einer kaltgewalzten Stahlplatte· wurden zusammen mit einer Zugabe von 5% Graphit geschmolzen und auf einer Temperatur von 1800⁰C gehalten. Die Schmelze wurde in einen Schmelztiegel gegossen und aus diesem durch eine im Durchmesser 5 mm große;, öffnung in dessen Boden abgegossen. Der Metallschmelzenstrom 5 (vgl. Fig. 1) wurde einem Wasserstrahl ausgesetzt,

2
der mit einem Druck von 10 kg/cm und einer Flußmenge von 55 l/min aus der Wasserstrahldüse ausströmte. Die Winkel betrugen; <X. = 40° und ρ = 45 . Der ringförmige Spalt 8 war 0.15mm . Man erhielt kugelförmige hohle Partikel aus Eisen, deren durchschnittlicher Durchmesser 0.5-15 mm und deren Wandstärke 0.1mm bis 0.7 mm war.

Beispiel 2; '

Es wurden wiederum 15 kg Elektrolyt-Eisen, und eine kaltgewalzte Stahlplatte mit einem Zusatz von 5 % Kohlenstoff in Form von Graphit eingeschmolzen und auf einer Temperatur von 1800 C gehalten. Die Metallschmelze wurde aus einer öffnung im Boden eines Schmelztiegels mit einem Durchmesser von 5 mm abgeg ^xossen. Dieser Metallschmelzenstrom 5

wurde einem Wasserstrahl ausgesetzt, dermit 30 kg/cm und 55 l/min aus der Wasserstrahldüse austrat. Die Winkel betrugen: oC = Ψ.0 und ß - U5°.

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Der ringförmige Spalt 8 betrus 0.05 mm. Man erhielt kugelförmige hohle Partikel aus Eisen, deren durchschnittlicher Durchmesser 0.5-15 mm und deren Wandstärke Oi-O.7 mm war.

Beispiel 3:

Es wurden 15 kg Elektrolyt-Eisen und kaltgewalzte Stahlplatte · mit einer Zugabe von 5 % Graphit geschmolzen und auf einer Temperatur von 1800 C gehalten. Die Metallschmelze wurde durch eine öffnung in einem Schmelztiegel mit einem Durchmesser von 9 mm abgegossen; der Metalbchmelzenstrom 5 wurde einem Wasserstrahl

von 10 kg/cm und 55 l/min, ausgesetzt, der aus einer Wasserstrahldüse austrat. Die Winkel betrugen: <X - 40 und (o - 45°. Der ringförmige Spalt 8 betruf auf 0.15 mm. Es ergaben sich kugelförmige hohle Partikel aus Eisen, deren durchschnittlicher Durchmesser zwischen 0.5 mm und 17 mm und deren Wandstärke 0.1 mm bi s 0.8 mm war.

Beispiel 4:

Es wurden 15 kg aus Elektrolyt-Eisen und kaltgewalzte Stahlplatte unter Zugabe von 5 % Graphit geschmolzen und auf einer Temperatur von 1800⁰C gehalten.Die Metallschmelze wurde aus einer Öffnung mit einem Durchmesser von 9 mm am 3oden eines Schmelztiegels abgegossen und der Metallschmelzenstrom 5 der einem Wasserstrahl von 55 l/min

2
und 30 kg/cm ausgesetzt, der aus der Wasserstrahldüse austrat.

Die Winkel betrugen: Ck = 40° und ρ = 45°; der ringförmige Spalt 8 betrug 0.05 mm. Die kugelförmigen hohlen Partikel aus Eisen, die man dabei erhielt, hatten einen durchschnittlichen Durchmesser von bis 15 mm und eine Wandstärke von 0.1 bis 0.8 mm.

Beispiel 5:

15 kg Elektrolyt-Eisen und kaltgewalzte Stahlplatte wurden unter Zugabe von 3 % Graphit geschmolzen und auf einer Temperatur von 1650 °C gehalten. Die Metallschmelze wurde über eine öffnung mit dem Durchmesser von 6 mm im Boden eines Schmelztiegels abgegossen und der Metallschmelzenstrom 5 der Metallschmelze einem Wasserstrahl

2 ausgesetzt, der aus der Wassertrahldüse mit 5 5 limin und lOkg/cm

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austrat. Die Winkel betrugen: ^ = 40° und /4=4-5°. Der ringförmige Spalt 8 betrug 0.15 mm. Man erhielt kugelförmige hohle Partikel aus Eisen, deren durchschnittlicher Durchmesser zwischen 0.5 und 18 mm und deren Wandstärke zwischen 0.2 mm und 1.0 mm betrug.

Beispiel 6:

Es wurden 15 kg Elektrolyt-Eisen und kaltgewalzte Stahlplatte unter Zugabe von 3% Graphit geschmolen und auf einer Temperatur vonl650°C gehalten. Die Metallschmelze wurde durch eine Öffnung mit 6 mm 0 am Boden eines Schmelztiegels abgeg ossen; der fallende MetalIschmeIzenstrom 5 wurde einem Wasserstrahl ausgesetzt, der

2
mit 30 kg/cm und 55 l/min aus der Wasserstrahldüse austrat; dabei betrugen die Winkel: OC = 40° und Λ = 45°. Der ringförmige Spalt 8 betrug 0.2 mm. Man erhielt kugelförmige hohle Partikel aus Eisen, deren durchschnittlicher Durchmesser zwischen 0.5 und 15 mm und deren Wandstärke zwischen 0.2 und 0.9 mm lag.

Beispiel 7:

15 kg Elektrolyt-Eisen und kaltgewalzte Stahlplatte wurden unter Zugabe von 4 % Graphit und 2.5 % Silicon-Eisen geschmolzen und die Schmelze auf einer Temperatur von 1700⁰C gehalten. Die Schmelze wurde dann über eineöffnung von 5 mm im Boden eines Schmelztiegels abgegossen und der Metallschmelzenstrom 5 einem Wasserstrahl ausgesetzt, der mit 5 kg/cm und 55 l/min aus der Wasserstrahldüse austrat; die Winkel betragen: OC = 40 und A - !+5°. Der ringförmige Spalt 8 betrug 0.3 mm. Man erhielt kugelförmige hohle Partikel aus Eisen, deren durchschnittlicher Durchmesser zwischen 0.5 und 15 mm und deren Wandstärke zwischen 0.1 und 0.6 mm lag.

Beispiel 8:

15 kg Elektrolyt-Eisen und kaltgewalzte Stahlplatte wurden unter Zugabe von 3% Graphit und 2 % Mangan geschmolzen und die Schmelze auf einer Temperatur von 1800°C gehalten. Das geschmolzene Metall wurde über eine öffnung von 5 mm im Boden eines Schmelztiegels

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abgegossen und der herabströmende Metallschmelzenstrom 5 einem

2 Wasserstrahl ausgesetzt, der mit 10 kg/cm und 55 l/min aus der Wasserstrahldüse austrat; die Winkel betrugen: CV = 40° und A = 45 . Der ringförmige Spalt 8 betrug 0.15 mm. Man erhielt kugelförmige hohle Partikel aus Eisen, deren durchschnittlicher Durchmesser zwischen 0.5 und 17 mm und deren Wandstärke zwischen 0.2 und 1.0 mm lag.

Beispiel 9:

15 kg Elektrolyt-Eisen und kaltgewalzte Stahlplatte wurden unter Zugabe von 3 % Graphit, 2.5 % Silicium, 0.5 % Phosphor und 0.1 % Schwefel geschmolzen und auf einer Temperatur von 1800°C gehalten. Die Metallschmelze wurde durch eine öffnung von 5 mm am Boden eines Schmelztiegels, abgegossen und der fallende Metallschmelzenstrom 5 einem Wasserstrahl ausgesetzt, der mit 10 kg/cm und 55 l/min aus der Wasserstrahldüse austrat; die Winkel betrugen: O^ = 40 und ^3= 45°. Der ringförmige Spalt 8 betrug 1.5 mm. Man erhielt kugelförmige hohle Partikel aus Eisen, deren durchschnittlicher Durchmesser zwischen 0.5 und 18 mm und deren Wandstärke zwischen 0.1 und 0.7 mm lag.

Beispiel 10:

15 kg Elektrolyt-Eisen und kaltgewalzte Stahlplattevurden unter Zusatz von 3 % Graphit, 2.5 % Silicium, 0.5 % Phosphor und 0.1 % Schwefel geschmolzen und auf einer Temperatur von 1800⁰C gehalten. Die Metallschmelze wurde über eine öffnung von 9 mm im Boden eines Schmelztiegels abgegossen und der fallende Metallschmelzenstrom

2 einem Wasserstrahl ausgesetzt, der mit 20 kg/cm und 55 l/min aus

der Wasserstrahldüse austrat; die Winkel waren: ⁰C - 40 und

ß>- 45°. Der ringförmige Spalt 8 betrug 0.1 mm. Man erhielt kugelförmige hohle Partikel aus Eisen, deren durchschnittlicher Durchmesser 0.5-18 mm und deren Wandstärke 0.2 bis 1.5 mm betrug.

Die Herstellungsbedingungen und Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

409808/0374- Ii ORiGINAL JN$PECTED

	Beispiel	Her st ellung	Schmelz temperatur	Durchmesser d. Schmelztiegel- öffnung /mm	Breite d. ringförm. Spalts	Druck d. Wasserstr. kg/cm	kugelf.Hohlpart.	Wand stärke mm
	1	Zusammensetzung der Schmelze (in Gewichts-%)	18OO°C	5	O.I5 mm	10	Durch messer mm	0.1-0.7
	2	Fe + G (5%)	l800°C	5	0.05	30	0.5-15	0.1-0.7
	3	Fe + G (5%)	l800°C	9	O.15	■10	0.5-15	0.1-0.8
	4	Fe + G (5%)	l800°C	9	O.O5	30	O.5-I7	0.1-0.8
	5	Fe + G (5%)	165O°C	6	0.15	10	0.5-15	0.2-1.0
(O ·-, co ; ο ' OO	6	Fe + G (3%)	l650OC	6	0.10.	30	O.5-I8	0.2-0.9
: cd ■> co	7	Fe + G (3%)	1700oC	5	O.3O	5	0.5-15	0.1-0.6
j -4	8	Fe + Si (2.5%) + G (k%)	18OO°C	"5	0.15	10	O.5-15	0.2-1.0
	9	Fe + Mn (2%) +G (3%)	155O°C	5	O.3O	5	0.5-17	0.1-0.7
	10	Fe + G (3%) + Si (2.5%) - + P (0.5%) + S (0.1%)	185O0C	9	0.12	20	O.5-18	0,2-1.^
	Fe	O.5-.18

OO CO

CD GO

, CO

*) "? Q R T *? β Fig. 6 zeigt die kumulative Verteilung der Partikelgröße der hohlen Partikel gemäß den oben angegebenen Ausführungsbexspxelen. Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen dem Durchmesser und der Dichte der Partikel. Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen dem Durchmesser und der Wandstärke der Partikel.

Je nach Qualität der Metallschmelze und Nachbehandlung nach der kugelförmigen hohlen Partikel kann man folgende Eigenschaften erreichen:

(1) Hohle Partikel aus Eisen, die man aus einer Metallschmelze unter Zusatz von graphit gewonnen hat,können derart nachbearbeitet werden, daß man jeden beliebigen Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0 bis 4% erhält; dies geschieht durch Trocknen in Heißluft nach Reduktion und Entkohlung in einer Atmosphäre aus Wasserstoffgas, gespaltenem Ammoniakgas oder einem endothermischen Gas.

(2) Hohle Partikel aus Eisen, die man aus einer Metallschmelze unter Zusatz von Graphit erhält, weisen ein für schnelle Abschreckung typisches Gefüge auf un d haben eine Vickers-Härte von 400-600; durch Einstellung des Kohlenstoffgehalts im Zuge einer Behandlung nach (1) und darauffolgendes Glühen kann aber Härte in den Bereich von Hv 80-500 gebracht werden»

(3) Hohle Partikel aus Eisen, dxe man aus einer mit Graphit, Mangan, Silicium, Chromium und Aluminium legierten Eisenschmelze erhält, haben eine Vickers-Härte im Bereich von Hv 500 bis 700; mit Hilfe der BEhandlung nach (2) kann die Härte in den Bereich von Hv 100 - 700 gebracht werden.

(4) ^' HohleBartikel aus Eisen, die man aus einer lediglich aus Eisen bestehenden Metallschmelze oder aus einer Mischung einer Eisenschmelze mit zumindest einem der Zusätze Graphit, Mangan, Silicium, Chrom und Aluminium erhält, können durch eine Entkohlung mit Hilfe der BEhandlung nach (1), gefolgt von einer Dampfbehandlung, während der die Oberflächen der Partikel mit einem Film aus Eisen oder aus Eisen-, Mangan-, Silicium-, Chrom- oder Aluminiumoxid überzogen wird, wärmebeständiger machen.

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Die hohlen Partikel entstehen beim Hindurchfallen einer Metallschmelze durch eine Wasserstrahldüse, deren geschlitzter Spalt zumindest eine Annäherung einer Vielzahl einzelner konvergierender Wasserstrahlen abgibt. Viskosität, Dichte und Wandstärke dieser Partikel hängen von der Beziehung der auftreffenden Wassermenge und der hindurchfließenden Menge der Metallschmelze ab; diese hängen wiederum vom Druck und der Qualität, der Temperatur der Schmelze und dem Durchmesser der Öffnung im Schmelztiegel, durch die die Schmelze ausfließt ab.

Die Einflußnahme auf die Viskosität, die Dichte und die Wandstärke durch Veränderung der Wasserstrahldüse und der Bedingungen der Schmelze werden im folgenden angegeben:

(1) BEi jeweils gleicher Beschaffenheit der Metallschmelze hat die Größe der hohlen Partikel die Tendenz, n£fc Zunahme des Durchmessers der Öffnung im Boden des Schmelztiegels, durch die die Schmelze abgegossen wird, ebenfalb zuzunehmen; das bestätigen die Kurven in Fig. 6. Man vergleiche die Kurven für die Beispiele 2 und 4, bei denen es sich um eine Schmelze mit Graphit-Gehalt von 5% handelte. Bei Beispiel 2 war die Öffnung im Boden des Schmelztiegels 5 mm; beim Beispiel 4- war sie 9 mm.

Bleibt der Durchmesser der Öffnung im Boden des Schmelztiegels derselbe, dann zeigt sich die Tendenz, daß die Partikelgröße mit einer Abnahme des Drucks des Wasserstrahls, der aus der Wasserstrahldüse austritt, geringer wird; man vergleiche die Kurven nach Fig. für die Beispiele 3 und 4. Im Beispiel 3 betrug der Wasserdruck

2 2

10 kg/cm , im Beispiel 4 30 kg/cm .

Ferner ergibt sich, daß die Partikelgröße die Tendenz hat, kleiner zu werden, wenn man die Viskosität der Metallschmelze dadurch verringert, daß man dem Eisen Graphit, Mangan, Phosphor oder Schwefel beigibt oder die Temperatur der Schmelze erhöht. Das zeigt ein Vergleich der Beispiele 4 und 10 in Fig. 6; im Beispiel 4 wurde eine · Schmelze mit einem Zusatz von 5 % Graphit verwendet, im Beispiel eine reine Eisenschmelze. Beispiele 5 und 6 betreffen Fälle, in denen die Viskosität der Metallschmelze durch Verringerung des Graphit-

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gehaltes auf 3 % und Herabsetzung der Temperatur der Schmelze auf 1650 C erhöht worden war. Man sieht aus den Kurven_s daß sich im Beispiel 5 gegenüber Beispiel 1 eine Erhöhung der Partikelgröße ergibt. Beispiel 7 zeigt gegenüber Beispiel 1 eine Abnahme in der Temperatur der Schmelze; ferner wurden 4% Graphit und 2.5 % Silicium dem Eisen beigegeben; so ergab sich eine Erhöhung der Viskosität der Metallschmelze. Man erhielt hohle Partikel aus Eisen mit ähnlicher Verteilung der Partikelgröße wie in Beispiel 1, in dem man

2 Wasserstrahlen mit relativ geringem Druck, nämlich mit 5 kg/cm verwendete., die auf die Metallschmelze auftragen. Im Beispiel 8 wurde die Beimengung von Graphit auf 3 % verringert, es wurden jedoch 2 % Mangan zugeführt; man erhielt so Partikel mit einer ähnlichen Verteilung der Partikelgröße wie in Beispiel 1. Beispiel 9 zeigt, daß selbst bei einer relativ geringen Temperatur der Metallschmelze, also z.B. bei 155O°C hohle Partikel aus Eisen dadurch hergestellt werden können, daß man 25% Silicium und 1.5% Phosphor, wie auch 3 % Graphit zufügt, um die Viskosität der Schmelze zu verringern. In diesem Fall dient die Beimengung von etwas Schwefel nicht nur dazu, daß die Viskosität der Schmelze herabgesetzt wird, sondern auch dazu, daß durch Reaktion mit dem Wasserstrahl S0„-Gas erzeugt wird, das dann zusätzlich zu den anderen entstehenden Gasen, nämlich HLO, H», 0„, CO und CO _ vorhanden ist und zur Aufweitung der hohlen Partikel beiträgt. Beispiel 10 zeigt die Möglichkeit der Herstellung von hohlen Partikeln aus reinem Eisen ohne Beimengung irgendwelcher Zusätze. In diesem Fall reiner Eisenschmelze mit hoher Viskosität hat die Verteilung der Partikelgröße die Tendenz, sich in einem Bereich hohen Durchmessers zu konzentrieren, wie dies die Kurve in Fig. 6 zeigt.

(2) Die Dichte der Hohlpartikel des Eisens hängt vom Durchmesser der Partikel ab. Das folgt daraus, daß die Wandstärke der Partikel vom Durchmesser der Partikel abhängt. Im folgenden wird nun erläutert, wie die Dichte und die Wandstärke für denselben Partikeldurchmesser beeinflußt werden können.

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Aus allen Beispielen zeigt sich, daß die Dichte der hohlen Partikel je geringer, je größer der Partikeldurchmesser ist.(Fig.7). Das ist deshalb so, weil bei allen diesen Beispielen das Anwachsen der Wandstärke langsamer als die Zunahme des Durchmessers vor sich geht. Bleibt jedoch der Partikeldurchmesser derselbe, so ergibt sich, aus Fig. 7, daß die Dichte für diejenigen hohlen Partikel am geringsten ist, die man von einer Eisenschmelze erhält, der, wie in den Beispielen 2 und 4, 5% Graphit zugesetzt wurden und daß sie die höchste für diejenigen Partikel ist, die man aus einer reinen Eisenschmelze, wie nach Beispiel 10, gewinnt. Die Dichte der Partikel, aus einer Schmelze mit Zusatz von Graphit, Silicium, Mangan, Phosfior und Schwefel liegt in der Mitte zwischen den Werten für die Beispiele 2 und 10; typisch dafür ist Beispiel 8.

Fig. 8 zeigt die Wandstärke der Partikel· nach Beispiel 2, 4, 8 und 10; die Wandstärke ist anstelle der Dichte der Partikel,wie in Fig. 7, aufgetragen. Anhand dieser Darstellung kann man erkennen, daß es möglich ist, die Expansion der hohlen Partikel, dadurch zu erleichtern," daß man durch Zusätze von Graphit, Silicium, Mangan, Phosphor und Schwefel die Viskosität der Eisenschmelze verringert und ferner Gase, wie z.B. CO, CO , SO usw., durch Reaktion zwischen dem Wasserstrahl mit dem Graphit und dem Schwefel entstehen läßt; so verringert man die Wandstärke durch eine Verringerung der Dichte bei gleichbleibendem Partikeldurchmesser. Selbst bei Verwendung von Metallschmelzen gleicher Beschaffenheit kann man Dichte und

•Pi'i ν»

Wandstärke 3eweils dieselbe Partikelgröße dadurch steuern, daß der Durchmesser der Schmelztiegelöffnung und der geschlitzte Spalt der Wasserstrahldüse entsprechend eingestellt wird.

Das erläuterte Herstellungsverfahren hat bei dem typischerweise verwendeten Material, d.h. bei Eisen, folgende Vorteile:

(1) Es eignet sich zur Massenproduktion von hohlen Partikeln aus Eisen oder Eisenlegierungen;

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(2) Durchmesser, die Dichte und Wandstärke der kugelförmigen hohlen Partikel aus Eisen oder Eisenlegierungen kann bestimmt werden;

(3) Die Härte der keugelförmigen hohlen Partikel kann durch eine qualitative Auswahl der Eisenlegierung bestimmt werden.

Es ist äußerst schwierig aus hohlen Partikeln, die aus herkömmlichen keramischen Materialien wie Kohlenstoff, Aluminiumoxiden, Glas oder Aluminium hergestellt werden, zusammenhängende Körper durch einfaches Erhitzen und Sintern herzustellen; hingegen macht es die Erfindung möglich, aus einer großen Zahl von kugelförmigen hohlen Partikeln aus Eisen oder einer Eisenlegierung durch einfaches Erhitzen und Sintern ohne Verwendung von Bindemitteln, herzustellen.

(5) Es ist möglich, noch wesentlich festere Strukturen dadurch zu erhalten, daß man kugelförmige hohle Partikel aus Eisen oder einer Eisenlegierung mit Hilfe von Bindemitteln zusammenfügt oder indem man die zwischen den Partikeln entsläienden Hohlräume mit einem Metall, dessen Schmelzpunkt niedriger als der des Eisens ist, oder mit anderem hochmolekularen Material ausfüllt.

(6) Durch Änderung der Proportionen der kugelförmigen hohlen Partikel aus Eisen oder einer Eisenlegierung, also durch Gewinnung von Partikeln mit verschiedener Größe, Wands1ä?ke und Härte kann die Kompressionsfestigkeit, die stoßdämpfenden Eigenschaften, die Wärmeisolationsfähigkeit und das Gewicht eines aus den Partikeln zusammengefügten Körpers bestimmt werden.

Wegen dieser Eigenschaften und Besonderheiten können die kugelförmigen hohlen Partikel aus Eisen oder einer Eisenlegierung gemäß vorliegender Erfindung als Material zur Herstellung von leichtgewichtigen Strukturen, als stoßdämpfendes Material oder als wärmeisolierendes Material verwendet werden.

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Bei der Beschreibung der Materialien zur Herstellung der kugelförmigen hohlen Partikel, wurde jeweils auf Eisen bzw. auf Eisenlegierungen Bezug genommen. Die Erfindung kann jedoch auch bei Ni und bei Ni-Legierungen, Cu und Cu-Legierungen, er und Cr-Legierungen, Al und Al-Legierungen^°wie bei Zn und Zn-Legierungen Verwendung finden. In anderen Worten: Es kann jedes ausdehnbare Material verwendet werden, das durch Hitzeeinwirkung geschmolzen und durch Abschrecken (Kühlen) zum Erhärten gebracht werden kann. Es kommen somit alle hauptsächlich metallischen Materialien ohne Rücksicht auf ihre Art oder ihren Gehalt an Legierungsbestandteilen in Frage.

Patentansprüche

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Claims (9)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von kugelförmigen hohlen Partikeln, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metallschmelzenströmung (5) durch einen Punkt hindurchgeführt wird, in'dem mehrere, zueinander ringförmig angeordnete Wasserstrahlen konvergieren

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Eisen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall eine Legierung ist, die aus Eisen und zumindest einem Legierungszusatz besteht, der aus folgender Gruppe^u|ewählt ist: 1-20% Ni, 1-10% Cu, 0.1-5% Graphit, 0.1-5% Silicium, 0.1-10% Mn, 0.1-5% Cr und 0.005-3% Al.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschmelzenströmung (5) dadurch gebildet wird, daß Metallschmelze durch eine Öffnung mit einem Durchmesser von 2-10 mm abgegossen wird.

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5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet Meta hat.

, daß die

Metallschmelzenströmung eine Temperatur von 1500° - 2000⁰C

6.1 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der

Druck des die Wasserstrahlen bildenden Wassers 5-30 kg/cm

ist.

7. Vorrichtung zur Herstellung kugelförmiger hohler Partikel, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kern (1) vorgesehen ist, der eine innere Durchflußöffnung zum Durchfluß der Metallschmelze (5) aufweist, dessen Ende sich konisch verjüngt ( <X ), und daß um dieses Ende herum ein Ring (3) angeordnet ist, der eine Öffnung mit sich ebenfalls konisch verjüngendem Querschnitt iß ) aufweist, und daß ferner die konische Verjüngung des Kerns (1) und der Öffnung in dem Ring (3) derart aufeinander abgestimmt sind, daß die Neigungswinkel der konischen VErjüngung (°( , ß> ) verschieden sind, wobei eine der sich konisch verjüngenden Flächen des Kerns (1) oder der Öffnung im Ring (3) mit einer Mehrzahl von Schlitzen (12) versehen ist.

8» Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen dem Kern (1) und der Öffnung in, dem Ring (3) gebildete Spalt (8) veränderbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (1) ineinem mit dem Ring (3) verbundenen und mit diesem eine druckaufbauende Kammer (7) bildenden Gehäuse (2) verschiebbar ist.

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