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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines porösen, metallischen Formkörpers, der ausgehend von einem Gemisch aus Metallpulver und TreibmittelPulver zum Grünling geformt, bei erhöhter Temperatur mittels gasbildender oder gasabscheidender Treibmittel porige bzw. schaumige Struktur erhält und diese im abgekühlten Formkörper beibehält.
Poröse metallische oder keramische Formkörper werden aus Gründen der spezifischen Steifigkeit und der Gewichtseinsparung in Konstruktionsteilen, als gasoder flüssigkeitsdurchlässiges Filtermaterial und als Isoliermaterial verwendet.
Bekannte Verfahren zur Herstellung poröser metallischer Formkörper nutzen die spezifischen Möglichkeiten der Sintertechnik ; beispielsweise werden einem pulverförmigen Matrixmetall bestimmte pulverförmige Zusätze beigegeben, die zu Beginn oder während des Sintervorgangs, lokal begrenzt, oder auf den gesamten Formkörper erstreckt, poröse Sinterstrukturen bewirken.
Ein anderes bekanntes Verfahren zur Herstellung poröser metallischer und/oder keramischer Formkörper besteht im Imprägnieren eines Körpers aus offenzelligem Polyurethan-Weichschaumstoff mit aufgeschlemmten keramischen oder metallischen Materialien und dem anschliessenden Ausbrennen des Polyurethans, woraufhin ein Keramik- bzw. Metallskelett entsteht.
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Nach einem anderen bekannten Verfahren wird dem ggf. bereits verdichteten
Metallpulver Inertgas unter erhöhtem Druck zugegeben, um beim anschliessenden Sinterprozess dem Formkörper über die Expansion dieses Gases eine Porenstruktur zu verleihen.
In jüngerer Zeit hat das Aufschäumen von Metallen mittels gasbildender oder gasabscheidender Treibmittel rasch an Bedeutung gewonnen. Die Anwendung liegt vorwiegend im Bereich der Leichtmetalle, insbesondere bei geschäumten Aluminium-Bauteilen.
Anfangs, z. B. gemäss US-PS 2 979 392, war vorgeschlagen worden, eine feste Mischung aus Metallpulver und gasabspaltendem Pulver in eine offene Kokille einzubringen, das Metallpulver zu schmelzen und dabei aufzuschäumen. Doch dieses Verfahren hat sich nicht bewährt, weil durch den raschen und weitgehend ungehinderten Austritt des abgespaltenen Gases aus der Mischung bzw. Schmelze die Bildung der Porenstruktur schwer steuer- und kontrollierbar war.
In der Folge wurden daher Verfahren vorgeschlagen, bei denen die Mischung aus Metall- und Treibmittelpulver zunächst unter grossem Druck kaltisostatisch gepresst oder stranggepresst und anschliessend durch Umformen, wie Walzen, so intensiv verschweisst und damit in sich mechanisch stabilisiert wurde, dass in einem nachfolgenden Fertigungsschritt, das ist die Abspaltung der Gase aus dem Treibmittel noch unterhalb der Schmelztemperatur der Metallkomponente, eine kontrollierte, weitgehend homogene Porenbildung im metallischen Formkörper erfolgte. Befriedigende Porenstrukturen wurden indes nur im Fall hochduktiler und daher durch Pressen mechanisch gut verschweissbarer Metallkomponenten erzielt.
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Aufgrund der vorbeschriebenen Nachteile erfolgt nach dem heutigen Stand der Technik der Prozess des Aufschäumens der Metalle daher üblicherweise im Bereich des Schmelzpunktes der metallischen Phasen.
So beschreibt die EP 0 460 392 A 1 ein Verfahren zur Herstellung aufschäumbarer Metallkörper, gemäss dem Metallpulver und Treibmittelpulver durch Heisspressen oder heissistostatisches Pressen zu einem kompakten, gasdichten Körper verdichtet werden, wobei die Temperatur so hoch gewählt wird, dass eine mechanische Verbindung zwischen einzelnen Metallpulverteilchen überwiegend mittels Interdiffusion erfolgt. Dabei werden die Treibmittelteilchen zwischen den miteinander verbundenen Metallteilchen der Art in der Matrix eingeschlossen, dass sie nicht schon beim Heisspressen, sondern erst bei einem späteren gezielten Prozess des Metallaufschäumens Gas freisetzen.
Zum Aufschäumen wird der so vorbehandelte Pressling mit üblicher Aufheizgeschwindigkeit auf eine Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels und zugleich vorteilhafterweise auf eine Temperatur gebracht, die entweder im engen Bereich des Schmelzpunktes des verwendeten Metalles, oder aber oberhalb des, bzw. im Solidus-Liquidus-Bereich der verwendeten Legierung liegt. Dieses Verfahren erlaubt ein gezieltes, gleichmässiges Aufschäumen zu einem homogenen, überwiegend geschlossen porigen Formkörper.
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auch Kupfer- und Bronze-Legierungen als metallischer Werkstoff explizit genannt.
Als Treibmittel haben sich vor allem Metallhydride, wie Titanhydrid bewährt. Daneben sind aber auch Carbonate, Hydrate, Alaune, Hydroxide, leicht
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verdampfende Stoffe, wie Quecksilberverbindungen, oder auch pulverisierte organische Substanzen pauschal erwähnt.
In der EP 0 868 956 A1 wird im Vergleich mit der dortigen Erfindung als Nachteil aller bis dahin bekannten Treibmittel-Verfahren genannt, dass diese Verfahren bei Anwendung auf Metalle hoher spezifischer Dichte, wie Eisenmetalle, aber auch hochschmelzende Metalle unbefriedigende Ergebnisse liefern oder gänzlich versagen. Ursache dafür ist, dass wegen der geringen Oberflächenspannung von spezifisch schweren Metallschmelzen der Zusammenfluss kleiner Gasbläschen beim Aufschäumprozess gefördert wird und ein Gasblasenauftrieb in der Metallschmelze stattfindet, was die Ausbildung der gewünschten feinporigen und damit mechanisch stabilen Struktur in metallischen Formkörpem verhindert.
Nach der Lehre dieser letztgenannten Vorveröffentlichung soll dieser Nachteil durch Zugabe von mindestens einem nichtmetallischen Reaktions- und/oder Legierungsmittel und/oder einer Mischhilfe zum Metall- und Treibmittel überwunden werden. Durch dieses Mittel soll sichergestellt werden, dass während des Aufschäumens im Temperaturbereich zwischen Solidus- und Liquidustemperatur der Legierung eine die Gesamtschmelze mechanisch stützende Phase vorliegt. Im Einzelnen soll diese Phase eine bereits vor dem Aufschäumen, d. h. bei niedriger Temperatur und zugleich eine infolge stofflicher Inhomogenität in der chemischen Zusammensetzung gebildete, niedrigschmeizende Phase sein.
Die Phase soll insbesondere als eine im Vergleich zum Metall niedriger schmelzende Dünnschicht an der Komoberfläche der Metallpulver angelagert sein. Auch für dieses Verfahren gilt wie bei den weiter vom beschriebenen Verfahren der Nachteil eines grossen herstellungstechnischen Aufwandes. Die Anwendbarkeit des Verfahrens auch auf
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Metalle hoher Dichte wird mit dem Nachteil einer nur sehr schwer kontrollierbaren
Prozessführung erkauft.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, mechanisch stabile, hochporöse, metallische
Formkörper mittels eines Verfahrens in Verwendung gasbildender bzw. gasabscheidender Treibmittel bereitzustellen, das vergleichsweise wirtschaftlicher als bekannte Verfahren ist und das insbesondere keine aufwendigen Press- und Warmumformverfahren als Voraussetzung für eine nachfolgende, gleichmässig und feinporige Aufschäumung einer schmelzflüssigen Metallmatrix erfordert. Das Verfahren soll insbesondere solche, in der Sintermetallurgie gegebene Verfahrens-Massnahmen zur porigen Strukturbildungen mit einschliessen, z.
B. um mittels Ausbildung stabiler Sinterbrücken zwischen einzelnen Metallpulverteilchen einen vergleichsweise mechanisch hochstabilen Formkörper zu bilden, und/oder um das Verfahren auch auf verschiedene Werkstoffskomponenten teils hoher und teils niedriger spezifischer Dichte in einer Gesamtmatrix nebeneinander anwenden zu können.
Das Verfahren soll die Bildung homogener Porenstrukturen in mechanisch stabilen Formkörpem aus Metallen hoher spezifischer Dichte auf wirtschaftliche Art und Weise ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein Verfahren gemäss Anspruch 1 erfüllt.
Wichtige Ausgestaltungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Produkte, hergestellt nach dem erfinderischen Verfahren lassen sich in den zum Stand der Technik genannten Einsatzgebieten vorteilhaft anwenden. Das Verfahren ist auf die Herstellung metallischer Formkörper mit regelmässig typisch metallischen, z. B. auch metallischen Festigkeitseigenschaften ausgerichtet.
Ungeachtet, dass der Formkörper gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren am Ende der Wärmebehandlung im Heissluftofen durch Reste von ausgehärteten Treibmitteln eine für die weitere Verarbeitung sehr vorteilhafte Formstabilität besitzt, wird die eigentliche mechanische Festigkeit des Formkörpers erst mit der Sinterung des Grünlings durch Ausbildung eines stabilen offen-und/oder geschlossenporigen Metallskeletts erreicht.
Aus mechanischen Festigkeitsgründen sind sehr grosse und sehr feine Poren weniger vorteilhaft als Poren eines mittleren Durchmessers von 0, 1 bis 1 mm bei möglichst schmaler Porendichteverteilung.
Je nach Anwendungsgebiet liegt der volumenbezogene Porenanteil des Formkörpers bei 5 % bis 70 % Das Verfahren ist nicht auf einzelne Metalle oder Metalllegierungen beschränkt.
Neben Wirtschaftlichkeitsüberlegungen ist die Anwendung des Verfahrens vor allem für schwere Metalle und Metalllegierungen mit hoher spezifischer Dichte besonders vorteilhaft anzuwenden, weil dort die bekannten Aufschäum-Verfahren besonders gravierende Nachteile besitzen.
Das erfinderische Verfahren lässt sich mittels Variation der Zugabemenge und Teilchengrösse von Zucker und Stärke bezüglich Ausbildung einer gewünschten Porengrösse bei enger Porengrössenverteilung besonders vorteilhaft steuern.
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Formkörper für Filterzwecke werden mit offenen Poren vergleichsweise grosser
Durchmesser, oder falls erwünscht auch mit Poren einer weiten
Porengrössenverteilung ausgebildet.
Es ist nach dem erfindungsgemässen Verfahren möglich, durch lagenweises Aufbringen verschiedenartiger Suspensionen übereinander einen Verbundkörper herzustellen, der in einzelnen Volumenbereichen unterschiedliche Porenvolumen und Porenstrukturen aufweist.
Während porige Sinterformkörper nach vorbekannten Verfahren sich als geformte Grünlinge nicht oder nur sehr beschränkt mechanisch bearbeiten lassen und daher eine mechanische Formgebung bei stufenweiser Sinterung mittels mechanischer Bearbeitung des vorgesinterten Körpers erreichen lässt, ist diese das Endprodukt wesentlich verteuernde Schrittfolge beim erfindungsgemässen Verfahren nicht erforderlich. Das aus dem Heissluftofen entnommene formstabile Teil besitzt eine für eine mechanische Formgebung ausreichende Formstabilität.
Grundsätzlich lassen sich nach dem erfindungsgemässen Verfahren all jene Verfahren und Formkörperausgestaltungen nachvollziehen, wie sie von der Verarbeitung von mit organischen Stoffen plastifizierten Metallpulvern vorbekannt sind ; dies jedoch mit dem einen erfindungswesentlichen Zusatzmerkmal der Ausgestaltung eines porösen metallischen Formkörpers.
An die Treibmittel, das sind pulverisierter Zucker und Stärkepulver, werden keine besonderen Eigenschaftsanforderungen gestellt. Es haben sich beispielsweise folgende im Handel befindliche Treibmittelpulver bewährt : Saccharose, feinst und lose Stärke, feinst, Erg. B 6, beides Produkte der Firma Merck.
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Die Anteile an Zucker und Stärke zum Metallpulver sind so zu bemessen, dass ein Volumenverhältnis von etwa 1 : 1 gegeben ist. Das innige Vermischen von Metallpulver und Treibmittelpulver, zunächst in trockenem Zustand und dann unter Zugabe von HzO, soiite mög) ichst sorgfältig erfolgen, wenn beim anschliessenden Aufschäumen eine möglichst feinporige, homogene Struktur erhalten werden soll.
Neben PTFE als bevorzugter Werkstoff für Behälter und Formen zur Aufnahme der Suspension haben sich für das Aufschäumen im Heissluftofen folgende Behälterwerkstoffe bewährt, Behälter aus Polyamid, Polyimid, mit PTFE beschichteter Stahl. Vorteilhafterweise werden Formen mit lösbaren Spannrahmen verwendet, um den ausgehärteten Grünling leichter aus einer Form nehmen zu können.
Das Aufschäumen im Heissluftofen geschieht unter normaler Atmosphäre. Dabei hat es sich bewährt, mittels eines Gebläses für kontinuierlichen Luftaustausch im Heissluftofen zu sorgen.
Ausgehend von pulverisiertem Zucker und Stärkepulver kommt es während des Aufschäumens zu nachfolgenden Reaktionen : Pyrolyse mit teilweiser Verbrennung zu ungesättigten C-H-O-Verbindungen (kondensiert) und Gasen, wie C02, H20 und
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Der mengenmässige Anteil an Zucker und Stärke in der Suspension ist erfindungsgemäss so zu bemessen, dass nach der gewünschten Ausschäumreaktion ausreichende Reste von Zucker und Stärke bzw. deren Reaktionsprodukte, in der Suspension verbleiben, die noch im Heissluftofen aushärten. Damit wird dem wieder auf Raumtemperatur abgekühlten Grünling ausreichende mechanische Stabilität geben, um ihn aus der Form herauszunehmen, ggf. mechanisch in eine gewünschte
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Gestalt zu bringen und um ihn anschliessend problemlos in einen üblichen Sinterofen einlagern zu können.
Die besonderen Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens liegen neben seiner Wirtschaftlichkeit in der Tatsache, dass gleichermassen spezifisch leichte und auch spezifisch schwere Metalle, oder auch Mischungen aus beiden problemlos aufgeschäumt und bleibend in die gewünschte Porenstruktur überführt werden können. Porengrösse, Porenhomogenität und lokale Bereiche unterschiedlicher Poreneigenschaften lassen sich sehr gezielt variieren.
Das erfinderische Verfahren wird anhand der nachfolgenden Beispiele näher beschrieben : Beispiel 1 Nach dem erfinderischen Verfahren wurde eine poröse Platte von 20 mm Stärke aus einer Chrom-Eisen-Legierung hergestellt. Zu diesem Zweck wurde ein voriegiertes Cr-5Fe-Pulver von 30 um mittlerer Komgrösse mit pulverisiertem Zucker und wasserlöslichem Stärkepulver vermischt. Die Anteile von Stärkepulver und Zucker waren gleich gross und betrugen insgesamt 20 Gew. % an der gesamten Mischung.
Die Mischung erfolgte während 10 Minuten im Schüttelmischer. Daran anschliessend wurde Wasser langsam in die Pulvermischung eingerührt, bis eine breiige, noch giessbare Suspension entstand. Das gleichmässige Einrühren erfolgte wiederum während 10 Minuten im Schüttelmischer. Die so gefertigte Suspension wurde daraufhin in eine Form aus PTFE-Material gegossen und unmittelbar anschliessend in einem Heissluftofen unter Luftatmosphäre rasch auf 200 C aufgeheizt. Dabei wurde der chemisch nicht reagierte Wasserüberschuss ausgedampft. Bei dieser
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Temperatur reagierten Stärke und Zucker unter Zersetzung und unter teilweiser
Freisetzung von flüchtigen Verbindungen, wie etwa C02, H20 und CO, wobei sich das Gas in Form von Bläschen in der Werkstoffmatrix homogen verteilte.
Nach Abschluss einer 120-minütigen Behandlungsdauer im Heissluftofen war der Formkörper formstabil ausgehärtet.
Wieder auf Raumtemperatur abgekühlt, liess sich der ausgehärtete Formkörpergrünling mechanisch bearbeiten. Anschliessend wurde der Formkörper unter den für eine Chrom-Eisen-Legierung üblichen Bedingungen bei 1. 200 C während 60 Minuten in einem Sinterofen unter dekarburierender bzw. reduzierender Gasatmosphäre zum fertigen, porösen, metallischen Sinterformteil verarbeitet.
Während des Sintervorganges verflüchtigen im Grünling noch vorhandene, zuvor verkohlte Reaktionsprodukte aus Stärke und Zucker infolge Zugabe von dekarburierenden Gasbestandteilen zur Sinteratmosphäre.
Der so gewonnene Chrom-Eisen-Formkörper besass ca. 60 % Porenvolumen. Der mittlere Porendurchmesser beträgt 3 mm. Der Formkörper weist wegen fester Metallbrücken ein mechanisch sehr stabiles, metallisches Formkörperskelett auf.
Beispiel 2 Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wurden poröse Molybdänplatten von 10 mm Stärke gefertigt. Entsprechend der im Beispiel 1 genannten Verfahrensschritte wurde Molybdänpulver von 10 um mittlerer Komgrösse mit gleichen Teilen von Stärkepulver und pulverisiertem Zucker vermischt, wobei der Anteil von Stärke plus Zucker ca. 10 Gew. % der Gesamtmischung betrug.
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Anschliessend wurde durch Zugabe von Wasser und Mischen eine spritzfähige Suspension hergestellt. Diese Suspension wurde dann mit einer Spritzpistole in der gewünschten Schichtdicke auf eine PTFE-Unterlage aufgespritzt. Das Aufheizen und Aufschäumen im Heissluftofen erfolgte während 90 Minuten bei 250 C. Nach dem Abkühlen wurde der poröse, formstabile Molybdängrünling von der PTFE-Unterlage abgehoben und mechanisch nachbearbeitet. Dann erfolgt die Sinterung des Grünlings unter für Molybdän üblichen Sinterbedingungen in einem Vakuumsinterofen unter Wasserstoff als Ofenatmosphäre, d. h. in einer dekarburierenden Atmosphäre.
Auf diese Weise wurden im Grünling noch vorhandene Reste an Zucker und Stärke, zuvor zu Kohlenstoff pyrolisiert, in flüchtige Verbindungen überführt und derart aus dem Sinterkörper ausgebracht.
Die so erzeugte Molybdänplatte wies eine homogene Struktur mit 50 % Porenvolumen auf und war aufgrund fester, metallischerSinterbrücken zwischen einzelnen Molybdänteilchen mechanisch sehr stabil.