DE102006039586A1

DE102006039586A1 - Verfahren zur Herstellung gesinterter poröser Verbundbauteile und mit dem Verfahren hergestellte Verbundbauteile

Info

Publication number: DE102006039586A1
Application number: DE200610039586
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. Quadbeck; Matthias Dipl.-Ing. Reinfried; Günter Dr. Stephani; Ulf Dipl.-Ing. Waag
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-08-14
Filing date: 2006-08-14
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2026-08-15
Also published as: DE102006039586B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung gesinterter poröser Verbundbauteile sowie mit dem Verfahren hergestellte Verbundbauteile. Die so herstellbaren Verbundbauteile weisen bereichsweise voneinander abweichende Eigenschaften auf. Aufgabe der Erfindung ist es, poröse Verbundbauteile, die einfach und kostengünstig durch Sinterung herstellbar sind, zur Verfügung zu stellen, die eine erhöhe mechanische Festigkeit, Temperaturbeständigkeit und lokal differenziert physikalische Eigenschaften aufweisen, zur Verfügung stellen zu können. Erfindungsgemäß wird dabei so vorgegangen, dass poröse Strukturelemente als Grünkörper, die mit einer Suspension eines Binders und Metallpulver auf Trägern beschichtet und getrocknet sind, an miteinander zu verbindenden Oberflächen mit einer Flüssigkeit, z. B. Wasser oder ein Lösungsmittel (wässrige Lösung), angefeuchtet, die angefeuchteten Oberflächen der Strukturelemente in berührenden Kontakt gebracht und dabei mit einer Druckkraft beaufschlagt aneinander gepresst werden. Bei einer Wärmebehandlung werden Kohlenwasserstoffverbindungen ausgetrieben und eine stoffschlüssige Verbindung und die tragende Struktur durch Sinterung ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung gesinterter poröser Verbundbauteile sowie mit dem Verfahren hergestellte Verbundbauteile. Die so herstellbaren Verbundbauteile weisen bereichsweise voneinander abweichende Eigenschaften auf, was ihre mechanischen Eigenschaften und auch auf die jeweilige Porosität oder Porengrößen zutreffen kann. Dadurch kann der Einsatzbereich solcher Bauteile gegenüber bekannten Lösungen erweitert werden. Die Herstellung ist flexibel, entsprechend an die jeweilige Anwendung angepasst, relativ einfach realisierbar. Es können auch kleine Stückzahlen bis hin zu Prototypen hergestellt werden.
Mit der Erfindung kann sowohl der Leichtbauaspekt, wie auch eine verbesserte Schall- und Wärmedämmung berücksichtigt und erreicht werden.
Erfindungsgemäß hergestellte Verbundbauteile können aber auch als Filter für die Separation von Partikeln aus Fluiden eingesetzt werden. Hierbei kann eine kombinierte Wirkung der vorab bezeichneten Eigenschaften erreicht werden.
So ist es bekannt Leichtbauelemente durch Sinterung mit Hohlkugeln pulvermetallurgisch herzustellen. Dabei werden polymere Träger, bevorzugt aus Polystyren mit einem Binder gebundenen Metallpulver beschichtet und nachfolgend einer Wärmebehandlung unterzogen, die zum Austreiben von Kohlenwasserstoffverbindungen und nachfolgend zur Schalenbildung der Hohlkugeln durch Sinterung führt. Dabei können die Hohlkugeln auch gleich stoffschlüssig beim Sintern miteinander verbunden werden.
Einzeln hergestellte Hohlkugeln können aber auch später stoffschlüssig durch Kleben oder Löten zu Bauteilen miteinander verbunden werden. Wobei hierfür ein erhöhter Fertigungsaufwand erforderlich ist und außerdem die Festigkeit so hergestellter Bauteile klein ist, was insbesondere den Einsatz bei höheren Temperaturen betrifft.
Auch die Porosität kann nur in Grenzen beeinflusst werden, was sich auf das Durchströmungsverhalten auswirkt.
Poröse Strukturelemente sind aber auch Metallschäume, die im sogenannten „Schwarzwalder-Verfahren" hergestellt werden können. Dabei wird ein Kunststoffschaumkörper in eine Suspension eines Metallpulvers und einem Binder getaucht oder dessen Oberfläche an derweitig mit Suspension beaufschlagt und dadurch die Oberfläche des Kunststoffschaumes beschichtet. Anschließend wird eine Wärmebehandlung ähnlich, wie bei der vorab erläuterten Hohlkugelherstellung durchgeführt.
So hergestellte Metallschaumkörper weisen, insbesondere bei großer Porosität, eine geringe mechanische Festigkeit auf, so dass sie in der Regel nur gemeinsam mit Trägern oder innerhalb von Gehäusen einsetzbar sind.
Bisher wurden Metallschaumkörper dabei ebenfalls mit anderen Teilen, die dann eine höhere Festigkeit aufwiesen verklebt oder auch verlötet, was zu den bereits bezeichneten Nachteilen bei Hohlkugelbauteilen führt.
Komplexe Geometrien von porösen Bauteilen, die eine für viele Anwendungen erforderliche Festigkeit, Temperaturbeständigkeit bei gleichzeitig geringer Eigenmasse aufweisen, konnten nicht oder nur sehr aufwändig hergestellt werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung poröse Verbundbauteile, die einfach und kostengünstig durch Sinterung herstellbar sind, zur Verfügung zu stellen, die eine erhöhte mechanische Festigkeit, Temperaturbeständigkeit und lokal differenziert physikalische Eigenschaften aufweisen, zur Verfügung stellen zu können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. So hergestellte Verbundbauteile sind mit Anspruch 10 definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
Erfindungsgemäß wird dabei so vorgegangen, dass poröse Strukturelemente als Grünkörper, die mit einer Suspension eines Binders und Metallpulver auf Trägern beschichtet und getrocknet sind, an miteinander zu verbinden Oberflächenbereichen mit einer Flüssigkeit, z.B. Wasser oder ein Lösungsmittel (wässrige Lösung) angefeuchtet, die angefeuchteten Oberflächen der Strukturelemente in berührenden Kontakt gebracht und dabei mit einer Druckkraft beaufschlagt aneinander gepresst werden.
Das Anfeuchten kann dabei vollflächig auf der Oberfläche von miteinander zu verbindenden Strukturelementen oder auch nur bereichsweise erfolgen. Im letztgenannten Fall kann beispielsweise lediglich ein innen liegender oder auch ein äußerer Bereich am Rand angefeuchtet werden.
Nachfolgend wird ein solcher Verbundkörper einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der Kohlenwasserstoffverbindungen auch durch Pyrolyse ausgetrieben, das Metallpulver die tragende Struktur ausbildend miteinander versintert und eine stoffschlüssige Verbindung der Strukturelemente ebenfalls durch Sinterung hergestellt werden.
So kann ein oder es können auch mehrere Strukturelemente mit einzelnen beschichteten aus Kunststoff gebildeten Trägern, die bei der Wärmebehandlung zu Hohlkugelstrukturen führen mit einem oder mehreren Strukturelement(en), die bei der Wärmebehandlung zu Metallschaumkörpern führen, zu einem erfindungsgemäßen porösen Strukturelement gefügt werden, das dementsprechend bereichsweise unterschiedliche Porositä ten, Porengrößen und/oder eine geschlossen oder offenzellige Struktur aufweist.
Die so ein erfindungsgemäßes Verbundbauelement bildenden Strukturelemente liegen als Grünkörper vor, wie sie aus dem Stand der Technik an sich bekannt sind. Mit der Suspension beschichtete und getrocknete poröse Kunststoffschäume, wie z.B. PUR-Schaum sind in Grenzen elastisch verformbar. Dies kann bei der Herstellung erfindungsgemäßer Verbundbauelemente auch ausgenutzt werden. Dadurch kann die gewünschte Anpresskraft beim Fügen von solchen Strukturelementen ohne weitere zusätzliche Maßnahmen aufgebracht werden. In diesen Fällen kann ein Strukturelement, das beispielsweise mit beschichteten polymeren Trägern gebildet ist und an bzw. in dem ein Hohlraum ausgebildet ist, mit einem beschichteten Kunststoffschaumkörper, als Strukturelement ausgefüllt werden, dessen Volumen ein gewisses Übermaß in Bezug zum jeweiligen Hohlraumvolumen aufweist, dabei beim Einsetzen des beschichteten Schaumkörpers in einen solchen Hohlraum der Schaum zusammengepresst und die Elastizität die für die Fügung gewünschten Druckkräfte an den sich berührenden Oberflächen der miteinander zu verbindenden Strukturelemente bewirken kann.
Es besteht aber auch die Möglichkeit Strukturelemente einzusetzen, die mit miteinander verbundenen organischen fadenförmigen Elementen gebildet sind. Dies können beispielsweise so genannte „Abstandsgewirke" sein, bei denen polymere oder andere Naturfäden zu einem entsprechenden Gebilde miteinander verbunden sind. Dabei können äußere festere Deckschichten ausgebildet sein, die mit weiteren Fäden miteinander verbunden sind, ausgebildet sein. Die fadenförmigen Elemente können unterschiedliche Dicken und Längen aufweisen. Eine Beschichtung mit einer Suspension kann so erfolgen, wie dies auch bei andere Strukturelementen möglich ist, erfolgen.
So kann ein Hohlraum durchgehend, in einem aus nachfolgend aus miteinander verbundenen Hohlkugeln gebildeten Strukturelement, ausgebildet sein, der in einem fertig hergestellten Verbundbauelement zumindest teilweise mit Metallschaum als offenzellige Struktur ausgefüllt ist. Der poröse Metallschaum kann dann für die Separation von Partikeln aus einem Fluid oder auch anderweitige Beeinflussung eines Fluids, das diesen durchströmt genutzt werden. Der äußere aus miteinander verbundenen Hohlkugeln gebildete Teil des Verbundbauelements kann dabei eine tragende Funktion erfüllen. Es können aber auch weitere Eigenschaften von miteinander verbundenen Hohlkugeln, wie z.B. ihr Schalldämmvermögen ausgenutzt werden.
Die vorab angesprochene Elastizität eines Strukturelementes kann aber auch genutzt werden, um eine flächige Verbindung an Oberflächen von Strukturelementen zu erreichen, die eine nicht planare Oberflächengestalt aufweisen. So kann eine solche Verbindung an zumindest teilweise konkav oder konvex gewölbten Oberflächen von Strukturelementen erreicht werden.
Da auch mit Hohlkugeln gebildete Bereiche eines Verbundbauteils porös sein können, kann die gestufte oder auch gradierte Porosität ebenfalls vorteilhaft ausgenutzt werden.
Abweichend von den vorab erläuterten mit Suspension beschichteten und getrockneten Kunststoffschäumen können aber auch Metallschäume, die mit einer getrockneten Suspension analog beschichtet worden sind, für die Herstellung erfindungsgemäßer Verbundbauelemente eingesetzt werden.
Die in der Suspension enthaltenen Metallpulver, die für die Beschichtung und Bildung der miteinander zu einem erfindungsgemäßen Verbundbauelement zu verbindenden Strukturelemente können selbstverständlich, was ihre Zusammensetzung betrifft, gleich sein, um ein gutes Sinterverhalten zu gewährleisten. So können Pulver mit reinen gleichen Metallen aber auch gleichen Metalllegierungen eingesetzt werden.
Es besteht aber auch die Möglichkeit Strukturelemente mit voneinander abweichenden Pulvern zu beschichten. Dabei kann dann bei der Sinterung gleichzeitig mit Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung ggf. eine Legierungsbildung, die Bildung intermetallischer Phasen und/oder Mischkristallen im Füge/Verbindungsbereich erfolgen, was z.B. zu einer Erhöhung der Festigkeit des Verbundes führen kann.
Dies kann aber auch mit einem ein metallisches Pulver enthaltenden Lösungsmittel, das für die Anfeuchtung eingesetzt wird, erreicht werden.
Pulver für Suspensionen können aber auch neben Metall geeignete Sinteradditive enthalten. Es können auch katalytisch wirkende Stoffe oder Elemente im Pulver enthalten sein.
Die erfindungsgemäß hergestellten Verbundbauteile können mindestens einen aus miteinander durch Sinterung miteinander verbundenen metallischen Hohlkugeln gebildeten Bereich gebildet sein. Es kann auch mindestens ein mit Metallschaum gebildeter Bereich oder jeweils mindestens ein solcher Bereiche vorhanden sein.
Je nach vorhandener lokal differenzierter Porosität, Porengröße und/oder Zellenstruktur liegen unterschiedliche Eigenschaften vor, die entsprechend vorteilhaft ausgenutzt werden können. Diese Variationsmöglichkeiten bieten Spielräume für besonders geeignete Anpassung eines Verbundbauteils an die jeweilige Applikation.
Nachfolgend soll die Erfindung auch beispielhaft erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 in schematischer Form dargestelltes erstes Beispiel, das mit zwei Strukturelementen hergestellt worden ist und
2 ein zylinderförmiges Verbundbauteil.
Das in 1 gezeigte Beispiel kann mit zwei Strukturelementen, die stoffschlüssig durch Sinterung miteinander verbunden worden sind, hergestellt werden. Dabei wird das unten in 1 angeordnete aus Hohlkugeln gebildet. Es werden sphärische Partikel aus Polystyren mit Durchmessern im Bereich 3,5 bis 4 mm mit einer Metallpulver eines Edelstahls mit einer mittleren Partikelgröße d₅₀ von 6 μm, Polyvinylalkohol als Binder und Wasser gebildeten Suspension besprüht. Die so auf den Polystyrenpartikeln gebildete äußere sphärische Hülle wird anschließend getrocknet, so dass umhüllte Kugeln vorliegen.
Das zweite Strukturelement wird so vorbereitet, dass Polyurethanschaum mit einer Porenweite von 45 ppi mit einer Suspension, wie die, die für das erste Strukturelement eingesetzt worden ist, an seinen Oberflächen beschichtet wird. Dies kann durch Eintauchen und anschließender teilweiser Entfernung überschüssiger Suspension durch Druckausübung erreicht werden.
Beide Strukturelemente weisen eine kubische Gestalt mit einer Kantenlänge von ca. 50 mm auf.
Die Oberflächen der Strukturelemente, die miteinander verbunden werden sollen, werden dann mit endionisiertem Wasser angefeuchtet und gegeneinander gedrückt. Dabei wirkt ein Pressdruck von 0,4 bis 2,4 kPa.
Es wird nun eine Wärmebehandlung durchgeführt, die in zwei Stufen erfolgen kann. Dabei werden die organischen Komponenten aus beiden Strukturelementen bei ca. 500 °C in die Gasphase überführt und pyrolytisch ausgetrieben. Dies kann in einer ArH₂-Atmosphäre erfolgen.
Anschließend kann die Temperatur auf ca. 1250 °C erhöht und das Verbundbauteil gesintert werden, wobei gleichzeitig die stoffschlüssige Verbindung der beiden Strukturelemente zu einem Verbundbauteil ausgebildet wird. Hierbei kann in einer Wasserstoffatmosphäre gearbeitet werden.
Das in 2 gezeigte Beispiel kann, wie folgt hergestellt werden: Für das äußere hohlzylindrische Strukturelement werden Hohlkugeln genutzt, deren Außendurchmesser im Bereich 3 bis 3,15 mm liegt. Sie können wie im Beispiel nach 1 hergestellt werden. Es weist Abmaße mit einer Höhe von 70 mm, einem Innendurchmesser von 58 mm und einem Außendurchmesser von 186 mm auf.
Im hohlen Inneren des äußeren Strukturelements ist ein offenzelliges metallisches Strukturelement angeordnet und stoffschlüssig an seiner äußeren Mantelfläche mit dem äußeren Strukturelement verbunden. Es wird so vorbereitet, dass ein Polyurethanschaum mit einer Porenweite von 45 ppi ebenfalls, wie beim Beispiel nach 1 vorbereitet wird. Im beschichteten Zustand weist dieses Strukturelement Abmaße von 70*70*80 mm auf.
Die innere Mantelfläche des äußeren Strukturelementes und die äußere Mantelflächen des inneren Strukturelementes, die miteinander stoffschlüssig verbunden werden sollen, werden dann wieder mit Wasser angefeuchtet und das innere Strukturelement in den hohlen Teil des äußeren Strukturelements eingepresst. Durch die Elastizität des Polyurethanschaums wirken Rückstellkräfte, die inneres Strukturelement gegen das äußere Strukturelement mit einem Anpressdruck von 1 bis 3 kPa beaufschlagen. Die Wärmebehandlung für die Fertigstellung eines Verbundbauteils, wie es in 2 gezeigt ist, kann wieder wie beim ersten Beispiel bereits beschrieben durchgeführt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung gesinterter poröser Verbundbauteile, bei dem mindestens zwei poröse Strukturelemente als Grünkörper, die mit jeweils mindestens einem organischen Träger, der an seiner Oberfläche mit einem Binder und metallischem Pulver beschichtet ist, gebildet sind, durch Sinterung stoffschlüssig miteinander verbunden werden; dabei die miteinander zu verbindenden Oberflächen bereichsweise oder vollflächig mit einem Lösungsmittel angefeuchtet, dann in berührenden Kontakt gebracht, mittels Druckkraftbeaufschlagung aneinander gepresst und bei einer Wärmebehandlung die Kohlenwasserstoffverbindungen ausgetrieben sowie die stoffschlüssige Verbindung und die tragende Struktur der miteinander verbundenen Strukturelemente durch Sinterung ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Lösungsmittel Wasser und/oder ein organisches Lösungsmittel eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein ein metallisches Pulver in Form einer Suspension enthaltendes Lösungsmittel eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Anpresskräfte mit einem elastischen organischen Trägerwerk stoff mindestens eines Strukturelementes aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass offenporige und geschlossenporige Strukturelemente miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit mindestens einem Strukturelement, das mit einem elastisch verformbaren organischen Träger gebildet ist, eine Anpassung an eine Oberflächengestaltung eines anderen Strukturelementes bei der Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung der Strukturelemente erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strukturelement, das mit organischen miteinander verbundenen fadenförmigen Elementen gebildet ist, für die Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Strukturelemente, die mit unterschiedlichen Metallen gebildet sind, miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich lokal im Fügebereich eine Legierung, intermetallische Phase und/oder Mischkristalle bildet.
Poröses Verbundbauteil hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es lokal voneinander abweichende Porositäten, Porengrößen aufweist, offenzellig und/oder geschlossenzellig ausgebildet ist.
Verbundbauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bereichsweise die Porosität und/oder Porengröße sich in gradierter Form verändert ist.
Verbundbauteil nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein mit miteinander stoffschlüssig durch Sinterung miteinander verbundener metallischer Hohlkugeln gebildeter Bereich am Verbundbauteil vorhanden ist.
Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein mit einem Metallschaum gebildeter Bereich vorhanden ist.