DE102007042494B4

DE102007042494B4 - Bauteil sowie seine Verwendung

Info

Publication number: DE102007042494B4
Application number: DE102007042494A
Authority: DE
Inventors: Olaf Dr. Ing. Andersen; Thomas Dr. Studnitzky; Cris Dipl.-Ing. Kostmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-09-03
Filing date: 2007-09-03
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2027-09-04
Also published as: DE102007042494A1; WO2009030208A1

Abstract

Bauteil mit zumindest bereichsweise poröser offenzelliger Struktur, das mit miteinander versinterten Metallfasern gebildet ist und richtungsabhängig anisotrope mechanische, thermophysikalische und Durchströmungseigenschaften aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil mit aus einer eutektischen Aluminium-Basislegierung gebildeten Metallfasern, die durch Flüssig-Phasen-Sinterung miteinander stoffschlüssig verbunden und mehrlagig überwiegend in einer Ebene ausgerichtet sind, gebildet ist und seine richtungsabhängigen Eigenschaften um mindestens 50% voneinander abweichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit zumindest bereichsweise poröser offenzelliger Struktur, das mit miteinander versinterten Metallfasern gebildet ist. Das Bauteil weist dabei anisotrope mechanische, thermophysikalische und Durchströmungseigenschaften auf.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedlichste metallische poröse und auch offenzellige Werkstoffe und daraus hergestellte Bauteile bekannt. Häufig werden solche Bauteile als Metallschäume hergestellt, und dabei ergibt sich ein relativ hoher Herstellungsaufwand und es besteht lediglich in Grenzen die Möglichkeit, gezielt Einfluss auf die auszubildenden Poren und erreichbare Porositäten nehmen zu können.
Es ist auch nur unbefriedigend möglich, entsprechende anisotrope Eigenschaften an solchen Metallschäumen zu erreichen.
Es ist auch bekannt, Faserformkörper herzustellen, die eine entsprechende Porosität auch in offenzelliger Form aufweisen können. Dabei werden häufig metallische Fasern eingesetzt, die durch das so genannte Verfahren der Schmelzextraktion hergestellt worden sind.
So wird in DE 197 12 625 C2 ein entsprechendes Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung solcher Faserformkörper beschrieben. Durch Schmelzextraktion können ohne weiteres Metallfasern mit Längen im Bereich zwischen 0,5 cm bis zu 10 cm hergestellt werden. In diesem Stand der Technik wird außerdem beschrieben, wie mit einer Vorrichtung eine gezielte Schichtung von Metallfasern vor einer anschließenden Sinterung, bei der die Metallfasern miteinander stoffschlüssig verbunden werden können, durchführbar ist. Bevorzugt sollen dabei Metallfasern einer Eisen-Chrom-Aluminium- oder einer Nickel-Aluminium-Legierung eingesetzt werden, da diese in Folge ihres günstigen Oxidationsverhaltens für entsprechende Anwendungen geeignet sind. Diese Legierungen können zwar hohen Temperaturen ausgesetzt werden, weisen aber Defizite bezüglich ihrer thermophysikalischen Eigenschaften und wegen der hohen Dichte auch eine erhöhte Eigenmasse auf.
Außerdem sind für die Sinterung solcher Metallfasern aus den bezeichneten Legierungen erhöhte Sintertemperaturen erforderlich, was die Herstellungskosten negativ beeinflusst.
Die FR 27 41 359 A1 betrifft unterschiedliche Aluminiumlegierungen.
Aus WO 2005/052199 A1 ist es bekannt Bauteile mit einer metallischen Matrix, die mit Fasern oder Partikeln verstärkt sind, durch Thixoumformen herzustellen.
Von KANEKO, M. et. al. ist in Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy; Kyoto; September 1995; Vol. 42(9); S. 1004–1008; ISSN 0532-8799 auf Möglichkeiten zum miteinander Verbinden von Metallfasern aus unterschiedlichen Werkstoffen hingewiesen. Es sollen dabei Metallfasern mit einem Überzug aus einem Werkstoff, dessen Schmelztemperatur kleiner ist, überzogen werden, so dass dieser einen Binder bilden kann.
Eine ähnliche technische Lösung ist in DE 25 52 686 A1 offenbart.
Die DE 199 24 675 A1 betrifft ein sintermetallurgisches Verfahren zur Herstellung von Filterkörpern aus schmelzextrahierten Metallfasern.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Bauteile zur Verfügung zu stellen, die infolge einer erreichbaren Anisotropie richtungsabhängige Eigenschaften aufweisen und kostengünstig und gezielt reproduzierbar herstellbar sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Bauteil, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Geeignete Verwendungen sind im Anspruch 11 bezeichnet.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
Ein erfindungsgemäßes Bauteil ist dabei vollständig oder auch nur in bestimmten Bereichen mit miteinander versinterten Metallfasern gebildet. Die Metallfasern bestehen aus einer eutektischen Aluminium-Basislegierung, so dass sie durch Flüssig-Phasen-Sinterung miteinander stoffschlüssig verbunden sind.
Bevorzugt ist eine Aluminium-Basislegierung mit einem Anteil an Aluminium von mindestens 50 Gewichts-% gebildet. Als weitere Legierungselemente kann mindestens eines der folgenden Metalle, nämlich Kupfer, Zink, Zinn, Mangan, Beryllium, Magnesium oder Silizium enthalten sein. Dabei kann eine eutektische Aluminium-Basislegierung gewählt werden, deren Schmelztemperatur auch unterhalb der Schmelztemperatur von reinem Aluminium liegt. So kann beispielsweise das Flüssig-Phasen-Sintern bereits bei einer Temperatur, die mindestens unterhalb 50°K unter der Schmelztemperatur von reinem Aluminium liegen kann, erfolgen.
Bei einem erfindungsgemäßen Bauteil weichen die richtungsabhängigen Eigenschaften um mindestens 50% voneinander ab, was insbesondere einen Druckverlust beim Durchströmen einer porösen offenzelligen Struktur oder die Wärmeleitung in entsprechenden Richtungen betrifft.
Für die Herstellung erfindungsgemäßer Bauteile können Metallfasern, deren Durchmesser im Bereich 20 μm bis 500 μm liegt, eingesetzt werden. Dabei besteht ohne weiteres die Möglichkeit, Metallfasern an einem erfindungsgemäßen Bauteil einzusetzen, deren Außendurchmesser innerhalb eines bestimmten ausgewählten Durchmesserbereichs verteilt sind. Es können aber auch Metallfasern mit zumindest nahezu konstantem Außendurchmesser eingesetzt werden. Unter dem jeweiligen Durchmesser soll jeweils der kleinste Außendurchmesser einer Metallfaser verstanden werden, falls der Außendurchmesser über die gesamte Länge einer Metallfaser nicht konstant gehalten worden ist oder der Querschnitt der Metallfaser nicht kreisförmig ist. In diesem Fall gelten die genannten Durchmesser als Werte für den minimalen Feret-Durchmesser.
Durch entsprechend geeignete Auswahl von Metallfaseraußendurchmessern können die spezifische innere Oberfläche, der mit den Metallfasern gebildeten Strukturen, ihre Porosität und ihre Porengrößen gezielt in einem sehr weiten Bereich beeinflusst werden.
Ein erfindungsgemäßes Bauteil kann eine Porosität im Bereich zwischen 50% bis 97% aufweisen. Erreichbare Porengrößen liegen im Bereich von 5 μm bis 1.000 μm, und ein erfindungsgemäßes Bauteil kann eine spezifische Oberfläche im Bereich zwischen 2.500 m²/m³ bis 50.000 m²/m³ aufweisen.
Die anisotropen Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Bauteils werden auch dadurch erreicht, dass die Metallfasern mehrlagig übereinander und überwiegend in einer Ebene ausgerichtet sind. Dabei soll unter „überwiegend in einer Ebene” verstanden werden, dass die Metallfasern entlang ihrer Längsachse in parallel zueinander ausgerichteten Ebenen ausgerichtet sind, insoweit dies mit einer losen Schüttung auf einer bevorzugt ebenen Unterlage erreichbar ist. Hierzu kann beispielsweise mit einem Verfahren und einer Vorrichtung, wie sie aus DE 197 12 625 C2 bekannt ist, verfahren werden.
Eine solche Schüttung von Metallfasern kann dann gesintert werden und demzufolge ein vollständig poröser offenzelliger Aufbau eines Bauteils erhalten werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung besteht aber auch die Möglichkeit, ein Bauteil herzustellen, das zusätzlich ein metallisches Bauelement aufweist, das mit mindestens einem porösen offenzelligen Bereich, der aus stoffschlüssig miteinander verbundenen Metallfasern gebildet ist, ebenfalls durch Flüssig-Phasen-Sinterung stoffschlüssig verbunden ist. Ein solches Bauelement kann dann aus einem nichtporösen Werkstoff gebildet sein.
Die Flüssig-Phasen-Sinterung der Metallfasern und die Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung von Metallfasern und Bauelement kann gleichzeitig erfolgen.
Das Sintern kann bevorzugt im Vakuum, einer inerten Atmosphäre (Argon, Stickstoff), aber auch in einer Wasserstoffatmosphäre erfolgen, um eine Oxidation zu vermeiden. Bei Einsatz von Wasserstoff beim Sintern kann durch Reduktion eine Oxidschicht an der Oberfläche, die das Flüssig-Phasen-Sintern behindern könnte, entfernt werden.
Bauelemente, die mit einem porösen offenzelligen Bereich, der aus miteinander versinterten Metallfasern gebildet ist, verbunden werden können, können in Form von Platten, in Form unterschiedlichster Profile, wie beispielsweise U-Profile oder Doppel-T-Profile oder auch als Hohlzylinder ausgebildet, eingesetzt werden.
Dabei können Bauelemente aber auch eine Perforation aufweisen, falls dies für bestimmte Applikationen gewünscht ist.
Bauteile, an denen zusätzlich aus nichtporösem Werkstoff hergestellte Bauelemente vorhanden sind, können beispielsweise als zwei plattenförmige Bauelemente ausgebildet sein, zwischen denen ein poröser offenzelliger mit Metallfasern gebildeter Bereich angeordnet ist, so dass ein so hergestelltes Bauteil ein Sandwich darstellt. Es besteht aber auch die Möglichkeit, mindestens einen porösen offenzelligen mit Metallfasern gebildeten Bereich im Inneren eines Hohlzylinders anzuordnen und diesen dann mit der inneren Wandung eines Hohlzylinders stoffschlüssig durch Flüssig-Phasen-Sinterung zu verbinden.
Durch schichtweise Ausbildung mehrerer poröser offenzelliger mit Metallfasern gebildeter Bereiche, in denen Metallfasern mit unterschiedlichen Außendurchmessern und demzufolge unterschiedliche Porengrößen und Porositäten vorhanden sind, kann ein gradierter Aufbau erhalten werden.
Neben anderen Metallen oder Metalllegierungen ist es bevorzugt, Aluminium oder Aluminiumlegierungen für ein Bauelement auszuwählen, mit dem deporöse offenzellige mit Metallfasern gebildete Bereiche stoffschlüssig verbunden werden können.
Werden für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils Metallfasern mit einer eutektischen Aluminium-Basislegierung, in der als Legierungselement Zink enthalten ist, eingesetzt, sollte die Sinterung im Vakuum erfolgen. Dabei kann Zink verdampfen, und es ist im fertig hergestellten Bauteil ein Zinkanteil, der unterhalb von 0,2 Gewichts-% liegt, vorhanden.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden.
Dabei zeigt:
1 ein Diagramm des richtungsabhängigen Druckverlustes beim Durchströmen eines aus miteinander verbundenen Metallfasern gebildeten Bauteils bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten.
Beispiel 1
Für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils, das ausschließlich aus miteinander durch Flüssig-Phasen-Sinterung verbundenen Metallfasern gebildet ist, werden Metallfasern einer Aluminium-Basislegierung, in der neben Aluminium 6 Gewichts-% Kupfer und 5 Gewichts-% Zink enthalten sind, eingesetzt. Die durch Schmelzextraktion erhaltenen Fasern wiesen eine Länge von 7 mm und einen Äquivalenzdurchmesser von 120 μm auf. Die Metallfasern wurden, wie aus DE 197 12 625 C2 bekannt, zu einer vorerst nicht versinterten homogenen Faserstruktur verarbeitet. Diese Faserstruktur hatte einen Durchmesser von 70 mm und eine Höhe von 10 mm. Im Anschluss erfolgte eine Sinterung in einem Vakuum. Dabei wurden die Metallfasern partiell flüssig, und es konnte durch Flüssig-Phasen-Sinterung die stoffschlüssige Verbindung von Metallfasern an Berührungspositionen erreicht werden. Die Porosität lag bei 85%.
Für den Nachweis der Anisotropie wurden Untersuchungen vorgenommen, um das richtungsabhängige Durchströmungsverhalten nachzuweisen.
Wie aus 1 erkennbar, traten beim Durchströmen des so hergestellten Bauteils in einer Richtung, die senkrecht zur Ausrichtung der stoffschlüssig miteinander verbundenen Metallfasern ausgerichtet ist, deutlich höhere Druckverlustwerte als beim Durchströmen mit einer Strömungsrichtung in der Richtung, in der auch die stoffschlüssig miteinander verbundenen Metallfasern ausgerichtet sind, auf. Dabei traten Druckverlustdifferenzen bei allen untersuchten Strömungsgeschwindigkeiten auf. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 1 m/s konnte ein Unterschied von mehr 100% festgestellt werden.
Beispiel 2
Für die Herstellung eines weiteren Beispiels eines erfindungsgemäßen Bauteils in einer Sandwichstruktur mit einer Kernporosität von 50% wurden die gleichen Metallfasern wie beim Beispiel nach 1 hergestellt, jedoch mit einem Äquivalenzdurchmesser von 250 μm und einer Länge von 6 mm eingesetzt. Auch hier wurden mit den aus DE 197 12 625 C2 bekannten Verfahren und der Vorrichtung die Metallfasern auf eine 2 mm dicke Aluminiumplatte, als ein Bauelement, aufgebracht. Nach diesem Legeprozess der Metallfasern wurde die Metallfaserschüttung mit einer zweiten Aluminiumplatte abgedeckt, wobei die beiden Aluminiumplatten mit einer Druckkraftbeaufschlagung zusammengepresst werden können und dabei die Metallfaserschüttung leicht verdichtet werden kann. Bei der sich anschließenden Wärmebehandlung erfolgt dann eine Flüssig-Phasen-Sinterung der sich berührenden Metallfasern und auch der die Oberfläche der Aluminiumplatten berührenden Metallfasern, so dass Metallfasern untereinander und Metallfasern mit Aluminiumplatten stoffschlüssig verbunden werden konnten. In dem aus miteinander versinterten Metallfasern gebildeten Bereich konnte eine Porosität von 50% erreicht werden.
Mit den in den beiden Beispielen beschriebenen erfindungsgemäßen Bauteilen, aber auch in davon abweichender Form erfindungsgemäß hergestellten Bauteilen können unterschiedliche Leichtbauteile oder zumindest auch Teile für Wärmetauscher zur Verfügung gestellt werden.

Claims

Bauteil mit zumindest bereichsweise poröser offenzelliger Struktur, das mit miteinander versinterten Metallfasern gebildet ist und richtungsabhängig anisotrope mechanische, thermophysikalische und Durchströmungseigenschaften aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil mit aus einer eutektischen Aluminium-Basislegierung gebildeten Metallfasern, die durch Flüssig-Phasen-Sinterung miteinander stoffschlüssig verbunden und mehrlagig überwiegend in einer Ebene ausgerichtet sind, gebildet ist und seine richtungsabhängigen Eigenschaften um mindestens 50% voneinander abweichen.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfasern mit einer Aluminium-Basislegierung gebildet sind, die einen Anteil an Aluminium von mindestens 50 Gew.-% aufweist und als weiteres Legierungselement mindestens ein Metall, das ausgewählt ist aus Kupfer, Zink, Zinn, Mangan, Beryllium, Magnesium und Silicium enthalten ist.
Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfasern Durchmesser im Bereich 20 μm bis 500 μm aufweisen.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Porosität von 50% bis 97% erreicht ist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Porengrößen im Bereich 5 μm bis 1000 μm vorhanden sind.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine spezifische Oberfläche im Bereich 2500 m²/m³ bis 50000 m²/m³ eingehalten ist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit durch Sinterung stoffschlüssig verbundenen Metallfasern gebildeter Bereich mit mindestens einem metallischen aus nichtporösem Werkstoff gebildeten Bauelement ebenfalls durch Flüssig-Phasen-Sinterung stoffschlüssig verbunden ist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauelement plattenförmig, in Form eines Profils oder eines Hohlzylinders ausgebildet ist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein poröser offenzelliger mit Metallfasern gebildeter Bereich zwischen mindestens zwei plattenförmigen Bauelementen oder im Inneren eines Hohlzylinders angeordnet ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Bauelement(e) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet ist/sind.
Verwendung eines Bauteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Leichtbauteil oder für Wärmetauscher.