由粉末狀原材料製造構件的方法和為此適用的萃取器的製作方法
2023-10-10 16:38:44
專利名稱：由粉末狀原材料製造構件的方法和為此適用的萃取器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種由粉末狀原材料製造構件的方法，其中，原始粉末與包括粘結劑在內的助劑混合構成一種流動物質，通過粉末壓鑄由此物質製成一基體，基體在一容器內加熱並置於溶劑流中以便萃取部分助劑，以及，燒結基體形成構件。
此外，本發明還涉及一種實施此方法的萃取器。
粉末壓鑄主要使用於大量生產幾何形狀複雜的構件。採用此工藝方法尤其能方便地加工難以機械加工的材料，例如硬質合金、陶瓷和石墨。
粘結和增塑劑不僅使此物質的加工更加容易，而且它們還賦予基體為其進一步加工所需要的形狀穩定性。為了使基體保持其形狀，助劑的引出必須逐漸和平穩地進行。這尤其適用於在從通過粉末壓鑄製成的基體中萃取粘結和增塑劑的情況下。因為，在此工藝過程中基體通常在萃取助劑前脫模並因而無支承地(自由豎立著或例如平放在砂墊層上)置於溶劑流內。因此使用了這些粘結劑系統，即它們在室溫下固化並可在此溫度下賦予基體所要求的形狀穩定性。粘結和增塑劑通過熱解的排出，取決於基體的壁厚，要持續多日；以及在通過溶劑萃取時也需要長的處理時間。除此之外，溶劑和常用粘結劑系統的降解產物有些會造成環境的負擔。
為了實施萃取，將多個要釋放的基體置入形式上為槽的萃取容器內並用萃取劑處理。
此外，本發明的目的是提供一種適用於實施此方法的萃取器。
在方法方面，按本發明此目的從前言所述的方法出發採取下列措施達到萃取包括一加熱階段，在此期間基體的溫度持續或逐步上升以及此基體被一種形式上為壓縮的超臨界處理氣體的溶劑繞流。
為了從基體萃取助劑，使用一種形式上為超臨界氣體的溶劑。此處理氣體繞流基體，在此過程中助劑(如粘結劑和增塑劑)被溶解，接著與處理氣體一起從容器排出。在這種情況下基體由於去除助劑增加多孔性，所以處理氣體也可以流過基體的多孔區。在這裡，容器涉及一種所謂的萃取器，在萃取器內可產生過壓。
用作溶劑的超臨界處理氣體其特徵在於高的密度，從而進一步改善了針對要從基體內溶解掉的助劑的溶劑效果。高的密度這樣達到，即，將此超臨界處理氣體的溫度-壓力狀況保持在其特殊的臨界溫度值和壓力值之上。
萃取包括一加熱階段，在此期間基體的溫度並伴隨著還有繞基體流動的處理氣體的溫度均上升。溫度的上升連續或逐步進行。下面進一步說明這種工藝方式的特殊效果。
包含在基體內的助劑通常以不同的餾分存在，這些餾分例如在其熱力學特性(如它們的熔點)或在其化學和物理性質(如它們在處理氣體內的可溶性)可能各不相同。從此基體通過溶於處理氣體內除去的或通過加熱液化的助劑餾分，對於基體的形狀穩定性不再有任何貢獻。在萃取期間通過緩慢地提高基體的溫度，可做到使助劑餾分按照它們在處理氣體內的可溶性及其熔點，先後從基體中去除。首先萃取在較低的溫度下可溶解的助劑餾分，隨著溫度的上升萃取較難溶的餾分。在此過程中，在助劑餾分達到各自的熔點前便理想地通過溶解在處理氣體中排除。
助劑在超臨界處理氣體中的可溶性隨溫度增加。在低溫時萃取的情況下助劑的排除因而需要長的時間，另一方面在高溫時萃取的情況下由於助劑快速排除或軟化導致損失基體的形狀穩定性。只有逐漸(連續或逐步)提高溫度才能平穩和與此同時快速地從基體內排除助劑。
為此重要的前提條件是使用室溫下固化的粘結劑系統，它們允許按這種方式逐漸提高溫度，而不會失去基體的形狀穩定性。因此，按本發明的方法尤其可有利地使用於從這樣一些基體萃取粘結劑和增塑劑，即，這種基體通過粉末壓鑄製成以及它們通常在萃取期間脫模和無支承地放置，並因而必須由自身保證有足夠的形狀穩定性。
在萃取期間的溫度控制主要取決於所使用助劑的熱和化學特性以及基體的幾何尺寸。業已證明有利的是，在加熱階段中加熱速度率調整在0.1℃/min與5℃/min的範圍內，優選地調整在0.5℃/min與2℃/min的範圍內。採用在此範圍內的加熱速率，一般能達到助劑快速和平穩地萃取。
同樣適用的工藝方式是，在加熱階段中基體的溫度提高到在20℃與150℃之間，優選地在30℃與130℃之間的範圍內。在此加熱階段後可緊接一保持階段，在保持階段中基體保持在提高後的溫度。為了獲得足夠的機械穩定性，通常按這樣的方式控制萃取，即在基體內保留對接著的燒結無害的助劑殘餘量。
若為處理氣體規定第一個流動方向，此時在加熱階段中的基體被處理氣體沿第一個流動方向繞流，以及在加熱階段的進行過程中至少改變一次流動方向，則改善了處理氣體在去除助劑方面的效果。這可以通過此超臨界處理氣體高的、處於要萃取的助劑單位密度範圍內的密度來解釋。在加熱階段的進行過程中，通過提高溫度改變了處理氣體與要萃取的助劑之間的密度比。在加熱階段的一開始，亦即在溫度較低時，處理氣體的密度比助劑的密度高。優選地這時處理氣體從下向上繞流基體，所以處理氣體可方便地向上排擠助劑並將它排出萃取器。
因此有一種工藝方式是優選的，其中基體在加熱階段的第一時間段被處理氣體自下向上繞流，而在加熱階段的第二時間段被加熱氣體自上向下繞流。因為在較高的溫度下密度比逆轉，所以助劑被現在從上向下流動的處理氣體有效地從基體萃取和從萃取器排除。密度比開始出現逆轉時的溫度取決於萃取器的內部壓力。
萃取的持續時間在總體上看主要在於基體的壁厚。業已證明有利的是，基體的處理持續時間調整在一小時至三小時的範圍內。
在本發明的範圍內作為處理氣體使用丙烷、笑氣或二氧化碳已證實是特別可靠的。這些處理氣體的特點在於，它們對於常見的粘結劑和增塑劑有良好的溶劑特性；它們價廉物美和比較便於操作。
業已證明有利的是，在萃取助劑的過程中將基體安放在一個用多孔材料制的支架上。對於要從基體內排除液態助劑的情況，助劑可被多孔的支架材料吸附或吸收，並由此避免汙染或損傷萃取器或其他基體。支架可例如設計為用多孔陶瓷或多孔燒結金屬製成的板的形狀。
前面提出的有關萃取器方面的目的採取下列措施達到令萃取器有一個氣密的有至少一個側面界壁的外殼，外殼圍繞著一個處理室，處理室用於安放一個裝載有多個基體的支架，處理室設有至少一個處理氣體進口和至少一個排氣的出口，以及處理室有一個可關閉的基體裝載和取出口，此口設計在側面界壁內用作支架的出入口。
通過將裝載和取出口設計為支架的出入口，整個支架便可通過此口置入萃取器內和重新從中取出。基體可在萃取器裝載前便已排放在支架上。在萃取結束後，基體連同支架一起從萃取器取出，並可以在它們仍放在支架上的情況下輸往下一個處理設備，例如燒結爐。
因為取出口設計在側面界壁內，所以支架可通過基本上水平的移動，亦即無需克服較大的高度差地置入萃取器內。
按本發明的一項優選的實施形式，外殼設計為端側封閉的空心柱體，其中，裝載和取出口設置在其中一個端側區內。在本發明的範圍內兩個端側構成側面界壁，裝載和取出口設在其中至少一個端側區內。有圓形橫截面的柱體特別好地適用於作為壓力容器。在這種情況下圓柱體外殼作為處理室的側面邊界並同時構成上和下界壁。
若處理室有至少兩個進口和至少兩個出口，則得到進一步的改進。這樣一種經修改的萃取器特別適合使用於上面所說明的按本發明的方法的方案中，按這種方案在萃取期間流動方向逆轉。
在CO2罐3內，二氧化碳以液相4和氣相5存在。為了液化二氧化碳，在CO2罐3內設一冷凝器6。氣體管道從CO2罐3經出口7、過冷卻器8、CO2泵9和熱交換器10，按選擇通入萃取器1的上部進口11和下部進口12。
萃取器1有空心柱體的形狀，在
圖1的視圖中，柱體軸線29沿水平方向延伸。在其中一個端側區內設裝載和取出口，它可藉助蓋30氣密地關閉。在萃取器1內部設一帶多個中間隔板的可移動的支架15，在中間隔板上排放許多要釋放的基體13。在這裡，基體13放在用多孔的燒結金屬制的板14上。支架15可通過裝載和取出口置入萃取器內和從萃取器取出。
此外，在萃取器1內部還設有一個圖中沒有表示的加熱裝置。在一種作為替換的實施形式中，萃取器1被加熱裝置圍繞。萃取器可按選擇通過上部出口16或下部出口17以及經角閥18與分離器2連接。
在圖1中角閥的高壓側19用較短的邊表示，而低壓側20用較長的邊表示。三角閥18藉助氣泵21和調壓器22控制。調壓器22通過壓力管道23與三角閥的高壓側19連接。
粘結劑和增塑劑在其中與氣態二氧化碳分離的分離器2被一調溫裝置圍繞。從二氧化碳中凝出的成分構成萃取物25，它主要由蠟、石蠟和樹脂組成並可經接管26排出。在萃取物25上方的氣體空間27通過氣體管道28與CO2罐3的氣相5連接。
下面藉助圖1說明按本發明的在使用超臨界二氧化碳的情況下從基體中平穩地萃取助劑的方法。
萃取器1裝載一個料批的基體14，為此將要處理的基體14在萃取器1外部排放在支架15上，接著將支架水平地推入萃取器1內。
基體涉及鑄件，它們由羥基鐵粉和助劑(如粘結劑和增塑劑)的混合物通過粉末壓鑄製成。助劑在下文中用術語「粘結劑」來概括。粘結劑佔總重量的6至9重量％。不同的粘結劑餾分含有不同的數量比例。粘結劑餾分在其熔點及其在超臨界二氧化碳中的可溶度方面是不同的。
在CO2罐3內的二氧化碳保持溫度約20℃和壓力在55bar至60bar的範圍內。在這種情況下形成的相平衡構成氣相5和液相4。由液相4連續取出液態二氧化碳，並經過冷卻器8和通過CO2泵在壓力200bar至500bar的情況下作為超臨界二氧化碳供入熱交換器10。通常在萃取器1內壓力調整為350bar。
按本發明的釋放包括一加熱階段，在此期間，通過萃取器1連續導引的超臨界二氧化碳流的溫度緩慢上升。二氧化碳流的調溫在熱交換器10內進行。在此實施例中，按下表逐步調整溫度的上升表1在用超臨界CO2萃取時的溫度變化過程編號 持續時間[min] 溫度[℃]1 25302 15503 15704 15905 20 120
與逐步提高溫度不同，溫度也可以連續提升。在一種與之相應的經修改的實施例中，超臨界二氧化碳通過熱交換器10調整，在那裡，在加熱速率為1℃/min的情況下連續地調整溫度從30℃提高到120℃。
連續的超臨界二氧化碳流從熱交換器10進入萃取器1，繞流多孔的基體14並在此過程中溶解包含在基體內的粘結劑成分。應使用的二氧化碳量取決於要釋放的材料的質量。在本實施例中，每公斤基體的原始重量使用10公斤超臨界二氧化碳。
溫度的逐漸提高促使逐漸溶解不同的粘結劑餾分，從而保證在釋放期間基體14有足夠的形狀穩定性。此外，由於低熔點的餾分在達到其熔點前已被溶解，從而避免粘結劑的液化。仍然可能產生的液體則被多孔板13吸收。
在加熱階段的進行過程中由於溫度上升改變了超臨界二氧化碳與要萃取的粘結劑之間的密度比。因此，在加熱階段的一開始，超臨界二氧化碳流從下部進口12導向上部出口16。通過如此規定的流動方向，具有與超臨界二氧化碳相比為較低密度的粘結劑成分被向上排擠並從萃取器排出。在上述密度比逆轉後(這種逆轉在內部壓力為350bar時取決於所選擇的粘結劑系統發生在溫度從70℃至90℃的範圍內)流動方向改變，此時二氧化碳流從上部進口11導向下部出口17，所以現在具有較大密度在粘結劑成分能容易地經下部出口17排出。
緊接著加熱階段，基體14在20min的保持時間內保持溫度120℃，在此期間基體14繼續被超臨界二氧化碳繞流。當在基體14中只還存在為基體14的穩定性直至燒結所需的粘結劑殘餘份額時終止萃取。此殘餘份額約為20重量％。因此在本實施例中，萃取在90min後結束。
由萃取器1排出的粘結劑成分進入分離器2，以及在那裡由於二氧化碳膨脹而導致的冷卻使之凝結或結晶。淨化後的二氧化碳重新供入CO2罐3。
由於採用超臨界二氧化碳作為萃取劑以及它良好的和通過在熱交換器10內的調溫能準確控制的溶解和輸送特性，所以可縮短釋放時間到幾個小時。按本發明的方法可重複使用萃取物25並因而減輕環境的負擔。而且溶劑二氧化碳也循環流動。
在釋放後將蓋30打開，從萃取器1拉出支架15，以及將排放在支架上的基體14供入(圖1中未表示的)燒結爐加工成要求的構件。燒結爐同樣設計用於安放支架15，所以不需要重排要處理的基體14。基體14接著在1000℃至1350℃的溫度下燒結。
權利要求
1.由粉末狀原材料製造構件的方法，其中，粉末與包括粘結劑在內的助劑混合構成一種流動物質；通過粉末壓鑄由此物質製成一基體；基體在一容器內加熱並置於溶劑流中以便萃取部分助劑；以及，基體燒結形成構件，其特徵為助劑的萃取包括一加熱階段，在此期間基體(14)的溫度持續或逐步上升以及此基體(14)被一種形式上為一種壓縮的超臨界處理氣體的溶劑繞流。
2.按照權利要求1所述的方法，其特徵為在加熱階段中，加熱速率調整在0.1℃/min與5℃/min的範圍內，優選地在0.5℃/min與2℃/min範圍內。
3.按照權利要求1或2所述的方法，其特徵為在加熱階段中，基體的溫度上升到在20℃與150℃之間優選地在30℃與130℃之間的範圍內。
4.按照前列諸權利要求之一所述的方法，其特徵為為處理氣體規定一個流動方向，以及在加熱階段中基體(14)被處理氣體沿流動方向繞流；以及，在加熱階段的進行過程中此流動方向至少改變一次。
5.按照權利要求4所述的方法，其特徵為基體在加熱階段的第一時間段被處理氣體自下向上繞流，而在加熱階段的第二時間段被加熱氣體自上向下繞流。
6.按照前列諸權利要求之一所述的方法，其特徵為基體(14)的處理持續一小時至三小時的範圍內。
7.按照前列諸權利要求之一所述的方法，其特徵為作為處理氣體使用丙烷、笑氣或二氧化碳。
8.按照前列諸權利要求之一所述的方法，其特徵為基體(14)在萃取助劑時安放在一個用多孔材料制的支架上。
9.用於實施按照權利要求1至8中一項或多項所述方法的萃取器，它包括一個氣密的有至少一個側面界壁的外殼(1)，外殼圍繞著處理室，處理室用於安裝一個裝載有多個基體(14)的支架(15)，處理室設有至少一個處理氣體進口(11；12)和至少一個排氣的出口(16；17)，以及處理室有一個可關閉的基體(14)裝載和取出口(30)，裝載和取出口(30)設計在側面界壁內用作支架(15)的出入口。
10.按照權利要求9所述的萃取器，其特徵為外殼(1)設計為端側封閉的空心柱體，其中，裝載和取出口(30)設置在其中一個端側區內。
11.按照權利要求9或10所述的萃取器，其特徵為處理室有至少兩個進口(11；12)和至少兩個出口(16；17)。
全文摘要
在一種已知的由粉末狀原材料製造構件的方法中，粉末與包括粘結劑在內的助劑混合構成一種流動物質；通過粉末壓鑄由此物質製成一基體；基體在一容器內加熱並置於溶劑流中以便萃取部分助劑；以及，基體燒結形成構件。本發明的目的是能快速和與此同時平穩地萃取，以便釋放通過粉末壓鑄製成的基體。按本發明為達到此目的建議，助劑的萃取包括一加熱階段，在此期間基體的溫度持續或逐步上升以及此基體被一種形式上為一種壓縮的超臨界處理氣體的溶劑繞流。優選地，處理氣體的流動方向在加熱階段的進行過程中至少改變一次。適用於實施此方法的萃取器的特徵在於一個氣密的外殼，它包括至少一個側面界壁並圍繞著一個處理室，處理室用於安裝一個裝載有多個基體的支架，以及外殼有一個可關閉的基體裝載和取出口，裝載和取出口設計在側面界壁內用作支架的出入口。
文檔編號B22F3/10GK1429185SQ01809489
公開日2003年7月9日 申請日期2001年3月30日 優先權日2000年4月4日
發明者託馬斯·貝格爾, 黑裡貝特·迪克斯, 亨利·科爾特 申請人:梅塞爾·格裡斯海姆有限公司