DE102008000100B4 - A process for producing a lightweight green body, then manufactured lightweight green body and method for producing a lightweight molded article - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines leichtgewichtigen Grünkörpers in Form einer Schaumstruktur mit dreidimensional miteinander verbundenen Stegen aus einem keramischen und/oder pulvermetallurgischen Material, bei dem eine Suspension aus mindestens einem keramischen und/oder pulvermetallurgischen Material, aus mindestens einem Bindemittel und aus mindestens einem Suspendiermittel hergestellt wird, wobei ein Suspendiermittel eingesetzt wird, welches unterhalb der Schmelztemperatur der keramischen und/oder pulvermetallurgischen Materialien sublimiert, nachfolgend entweder die Suspension einem Unterdruck bis mindestens zur Verfestigung des Suspendiermittels ausgesetzt wird, oder die Suspension einer Temperaturerniedrigung bis zur vollständigen Verfestigung des Suspendiermittels ausgesetzt wird, danach die verfestigte Suspension einer Druckabsenkung auf einen Unterdruck unterworfen wird, wobei während der Druckabsenkung die Temperatur bis zum Schmelzpunkt des Suspendiermittels bei dem jeweiligen Druck erhöht wird, dann die Suspension dem Unterdruck bis mindestens zur Verfestigung des Suspendiermittels ausgesetzt wird, und danach das Suspendiermittel sublimiert und aus dem Grünkörper und dessen räumlichem Umfeld vollständig entfernt wird, wobei während der Sublimation die verfestigte Struktur der Suspension erhalten wird.Method for producing a lightweight green body in the form of a foam structure with three-dimensionally interconnected webs of a ceramic and / or powder metallurgical material, in which a suspension of at least one ceramic and / or powder metallurgical material, at least one binder and at least one suspending agent is produced, wherein a suspending agent is used, which sublimates below the melting temperature of the ceramic and / or powder metallurgical materials, subsequently either the suspension is subjected to a negative pressure until at least solidification of the suspending agent, or the suspension is subjected to a reduction in temperature until complete solidification of the suspending agent, then the solidified suspension is subjected to a reduction in pressure to a negative pressure, wherein during the pressure reduction, the temperature up to the melting point of the suspending agent in the jewei pressure is then increased, then the suspension is subjected to negative pressure until at least solidification of the suspending agent, and then the suspending agent is sublimated and completely removed from the green body and its surrounding space, during which sublimation the solidified structure of the suspension is obtained.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Pulvermetallurgie und Keramik und betrifft einen leichtgewichtigen Grünkörper aus einem keramischen und/oder pulvermetallurgischen Material, wie er beispielsweise im Fahrzeugbau, im Flugzeugbau oder im Maschinenbau als Filterkörper, Füllstoff, Leichtbauteil, Katalysatorträger, Porenbrenner, Dieselrußfilter oder Tiefenfilter für metallische Schmelzen, Geräusch- und Vibrationsdämpfer, Stauchelement oder Leichtbauteil zur Anwendung kommen kann, und ein Verfahren zu seiner Herstellung sowie ein Herstellung eines leichtgewichtigen Formkörpers.The invention relates to the fields of powder metallurgy and ceramics and relates to a lightweight green body of a ceramic and / or powder metallurgical material, such as in vehicle construction, aircraft or mechanical engineering as a filter body, filler, lightweight component, catalyst support, pore burner, diesel particulate filter or depth filter for metallic melts, noise and vibration damper, compression element or lightweight component can be used, and a method for its preparation and a production of a lightweight molding.
Leichtbaukomponenten erlangen für vielfältige Konstruktionen im Fahrzeugbau, im Flugzeugbau oder im Maschinenbau zur Gewichtsreduzierung zunehmende Bedeutung. Zu den Leichtbaukomponenten werden aufgrund ihrer geringen Dichte Schaumstrukturen gerechnet. Durch den Einsatz von Schaumwerkstoffen, gegebenenfalls als Verbundbauteile mit dichten Außenteilen, kann durch die Gewichtsreduzierung im Fahrzeugbau eine beträchtliche Einsparung im Kraftstoffverbrauch erreicht werden.Lightweight components are gaining in importance for a variety of designs in vehicle construction, aircraft construction or mechanical engineering for weight reduction. Due to their low density, foam structures are expected to be the lightweight components. The use of foam materials, optionally as composite components with dense outer parts, can be achieved by the weight reduction in vehicle construction, a considerable saving in fuel consumption.
Metallschäume zeichnen sich durch eine geringe Masse in Kombination mit einer hohen Steifigkeit und einer nennenswerten mechanischen Festigkeit aus. Sie werden u. a. zur Wärmedämmung, zur Geräusch- und Vibrationsdämpfung oder als Stauchelemente, z. B. für „Crash”-Absorber eingesetzt.Metal foams are characterized by a low mass in combination with a high rigidity and a significant mechanical strength. You will u. a. for thermal insulation, for noise and vibration damping or as compression elements, eg. B. used for "crash" absorber.
Zur Herstellung von Metallschäumen sind unterschiedliche Verfahren bekannt, z. B. das direkte Aufschäumen von Schmelzen mittels Gasinjektion oder durch Zugabe von Schäummitteln oder das Aufschäumen fester Ausgangsstoffe.For the production of metal foams different methods are known, for. As the direct foaming of melts by gas injection or by the addition of foaming agents or foaming solid starting materials.
Eine Vorrichtung zum Einbringen von Gas in eine Schmelze aus schäumbarem Metall mittels eines Rohres zur Herstellung von Metallschaum, bei welchem die Größe der jeweiligen Einzelblasen und die Größe der Gasblasen durch eine geometrische Düsengestaltung und eine Einstellung der Einströmparameter des Gases in die Metallschmelze gesteuert werden, wird in
Nach
Ebenfalls ein pulvermetallurgischen Verfahren zur Herstellung poröser Metallkörper wird in
In
Ebenfalls bekannt ist nach
Ein Verfahren zur Herstellung von Metallschaum aus einem aufschäumbaren metallhaltigen Rohmaterial und einem bei Erhitzen wirksam werdenden Treibmittel, insbesondere aus einem an sich bekannten kompaktierten Gemisch aus Metallpulver und Treibmittelpulver, unter Erhitzen auf mindestens die Schmelz oder Schaumbildungstemperatur des Rohmaterials und Treibmittels wird in
Die Verwendung von gasabspaltenden Treibmitteln zur Herstellung von Schäumen oder Metallschaum-Verbundbauteilen ist ebenfalls Gegenstand der Patentschriften
In
Aus der
In
Bei einem anderen Verfahren wird die Metallschmelze mit festen, körnigen Partikeln vermischt, die nach Erstarrung der Schmelze mit Lösungsmitteln herausgelöst werden und dabei in der Schmelze Hohlräume zurücklassen. Dieser Stand der Technik ist z. B. in folgenden Druckschriften beschrieben:
Alle genannten Verfahren der Metallschaumherstellung weisen den gemeinsamen Nachteil auf, dass die Schaumbildung bei erhöhter Temperatur oder sogar im schmelzflüssigen Zustand des Metalles erfolgt, wofür eine große Energiemenge erforderlich ist. Zusätzlich werden Treibgase freigesetzt, die unter Umständen explosiv oder umweltschädigend sein können.All these methods of metal foam production have the common disadvantage that the foaming takes place at elevated temperature or even in the molten state of the metal, for which a large amount of energy is required. In addition, propellants are released, which may be explosive or harmful to the environment.
Bei Raumtemperatur arbeitet das nachfolgende Verfahren
Ein von den vorher genannten Methoden abweichendes Verfahren wird in
In
Die beschriebenen Methoden der Metallisierung von Schaumstrukturen beinhalten jedoch in nachteiliger Weise stets das Vorlegen einer bereits erzeugten Schaumstruktur aus einen bestimmten Material, welches nachträglich mit Metall beschichtet wird.However, the described methods of metallization of foam structures disadvantageously always include the presentation of an already created foam structure of a particular material, which is subsequently coated with metal.
Bei keramischen Schäumen sind vor allem die Durchströmbarkeit der Poren und die thermischen Eigenschaften in Kombination mit den mechanischen Eigenschaften von größter Bedeutung für die Anwendung. Derartige Schaumstrukturen finden Einsatz als Porenbrenner, Dieselrußfilter, Tiefenfilter für metallische Schmelzen oder Katalysatorträgerkörper.In the case of ceramic foams, it is above all the permeability of the pores and the thermal flow Properties in combination with the mechanical properties of utmost importance for the application. Such foam structures are used as pore burners, diesel soot filters, depth filters for metallic melts or catalyst carrier body.
Bekannt sind Verfahren zur Herstellung von keramischen Schäumen über Infiltration eines Polymerschaumes mit einer Suspension, bestehend aus dispergierten Keramikpartikeln in einer Flüssigkeit, wie z. B. Wasser
In
- 1. das Bilden eines keramischen Schlickers, der ein im Wesentlichen homogenes Gemisch aus einem aus Partikeln bestehenden keramischen Stoff, einem organischen Bindemittel in einem flüssigen Trägermaterial und wahlweise einem oder mehreren grenzflächenaktiven Stoffen enthält, wobei mindestens einer der grenzflächenaktiven Stoffe vorhanden ist, falls das organische Bindemittel nicht als grenzflächenaktiver Stoff fungiert;
- 2. Aufschäumen des keramischen Schlickers mit Hilfe einer Kugelmühle; und
- 3. Erwärmen des aufgeschäumten keramischen Schlickers auf eine Temperatur, die ausreicht, um das organische Bindemittel im Wesentlichen auszubrennen.
- 1. forming a ceramic slurry containing a substantially homogeneous mixture of a particulate ceramic, an organic binder in a liquid carrier material and optionally one or more surfactants, wherein at least one of the surfactants is present, if the organic Binder does not function as a surfactant;
- 2. foaming the ceramic slurry using a ball mill; and
- 3. heating the foamed ceramic slurry to a temperature sufficient to substantially burn out the organic binder.
Ein anderes Verfahren gemäß
Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Herstellung einer offenzelligen Schaumkeramik ist die Direktschäumung durch ein Treibmittel (Produktblatt Schäumungsmittel W 53 FL., Fa. Zschimmer & Schwarz GmbH & Co., Lahnstein). Dafür wird zunächst eine Suspension aus keramischen Partikeln und Wasser oder einem Lösungsmittel hergestellt. Zu dieser Suspension werden ein Treibmittel und Polymerkomponenten zugegeben. anschließend wird diese Suspension in eine Form gegossen und die Reaktion des Treibmittels gestartet. Durch diese Reaktion kommt es zur Entwicklung von Gasblasen, die zu einem Aufschäumen der Suspension führen. Anschließend werden die Polymerkomponenten vernetzt, wodurch der Schaum erstarrt. Die Polymerkomponenten werden danach ausgebrannt und der verbliebene Schaum wird gesintert. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Schäumung schwierig zu steuern ist.Another known method for producing an open-cell foam ceramic is the direct foaming by a blowing agent (product sheet foaming agent W 53 FL., Zschimmer & Schwarz GmbH & Co., Lahnstein). For this purpose, first a suspension of ceramic particles and water or a solvent is prepared. To this suspension, a blowing agent and polymer components are added. Subsequently, this suspension is poured into a mold and started the reaction of the blowing agent. This reaction leads to the development of gas bubbles, which lead to foaming of the suspension. Subsequently, the polymer components are crosslinked, whereby the foam solidifies. The polymer components are then burned out and the remaining foam is sintered. The disadvantage of this method is that the foaming is difficult to control.
Ebenfalls bekannt ist ein Verfahren zur Herstellung von Schaumkeramik durch Direktschäumung mittels Luft
Weiterhin sind aus der
Ebenfalls sind aus der
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines leichtgewichtigen Grünkörpers aus einem keramischen und/oder pulvermetallurgischen Material, welches hohe mechanische Festigkeiten und eine einstellbare Zellstruktur aufweist und weiterhin in der Angabe eines Verfahrens zu seiner Herstellung, mit dem die leichtgewichtigen Grün- bzw. daraus hergestellte Formkörper preiswert und ökologisch vorteilhaft in einfacher Weise herstellbar sind.The object of the present invention is to specify a lightweight Green body made of a ceramic and / or powder metallurgical material, which has high mechanical strength and an adjustable cell structure and further in specifying a method for its production, with which the lightweight green or molded therefrom moldings are inexpensive and ecologically advantageous in a simple manner ,
Die Aufgaben werden durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The objects are achieved by the invention specified in the claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines leichtgewichtigen Grünkörpers in Form einer Schaumstruktur mit dreidimensional miteinander verbundenen Stegen aus einem keramischen und/oder pulvermetallurgischen Material, bei dem eine Suspension aus mindestens einem keramischen und/oder pulvermetallurgischen Material, aus mindestens einem Bindemittel und aus mindestens einem Suspendiermittel hergestellt wird, wobei ein Suspendiermittel eingesetzt wird, welches unterhalb der Schmelztemperatur der keramischen und/oder pulvermetallurgischen Materialien sublimiert, nachfolgend entweder die Suspension einem Unterdruck bis mindestens zur Verfestigung des Suspendiermittels ausgesetzt wird, oder die Suspension einer Temperaturerniedrigung bis zur vollständigen Verfestigung des Suspendiermittels ausgesetzt wird, danach die verfestigte Suspension einer Druckabsenkung auf einen Unterdruck unterworfen wird, wobei während der Druckabsenkung die Temperatur bis zum Schmelzpunkt des Suspendiermittels bei dem jeweiligen Druck erhöht wird, dann die Suspension dem Unterdruck bis mindestens zur Verfestigung des Suspendiermittels ausgesetzt wird, und danach das Suspendiermittel sublimiert und aus dem Grünkörper und dessen räumlichem Umfeld vollständig entfernt wird, wobei während der Sublimation die verfestigte Struktur der Suspension erhalten wird.In the inventive method for producing a lightweight green body in the form of a foam structure with three-dimensionally interconnected webs of a ceramic and / or powder metallurgical material, wherein a suspension of at least one ceramic and / or powder metallurgical material, at least one binder and at least one suspending agent wherein a suspending agent is used which sublimates below the melting temperature of the ceramic and / or powder metallurgical materials, subsequently either the suspension is subjected to a negative pressure until at least solidification of the suspending agent, or the suspension is subjected to a temperature reduction until complete solidification of the suspending agent , Thereafter, the solidified suspension is subjected to a reduction in pressure to a negative pressure, wherein during the pressure reduction, the temperature up to the melting point of the Sus pendissmittels is increased at the respective pressure, then the suspension is exposed to the negative pressure until at least solidification of the suspending agent, and then the suspending agent is sublimated and completely removed from the green body and its spatial environment, wherein during the sublimation, the solidified structure of the suspension is obtained ,
Vorteilhafterweise werden als Suspendiermittel, Wasser oder Lösungsmittel eingesetzt.Advantageously, be used as a suspending agent, water or solvent.
Ebenfalls vorteilhafterweise werden als Suspendiermittel Cyclohexan, Cyclohexanol oder tert. Butanol eingesetzt.Also advantageously be as suspending cyclohexane, cyclohexanol or tert. Butanol used.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Verfestigung durch Erstarren oder Einfrieren des Suspendiermittels durchgeführt wird.It is also advantageous if the solidification is carried out by solidification or freezing of the suspending agent.
Weiterhin vorteilhafterweise werden als keramische Materialien Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Mischoxide, Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Magnesiumoxid, Siliziumoxid, Porzellan, Mullit, Steatit, Cordierit oder anderen silikatischen Materialien eingesetzt.Further advantageously used as ceramic materials alumina, zirconia, mixed oxides, aluminum nitride, silicon nitride, silicon carbide, magnesium oxide, silica, porcelain, mullite, steatite, cordierite or other silicate materials.
Und auch vorteilhafterweise werden als pulvermetallurgische Materialien Stähle, Titanium, Aluminium oder Eisen eingesetzt.And also advantageously used as powder metallurgy materials steels, titanium, aluminum or iron.
Vorteilhaft ist es auch, wenn als Bindemittel organische, temporäre Bindemittel eingesetzt werden.It is also advantageous if organic, temporary binders are used as binders.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn als organische, temporäre Bindemittel Stärke, Polysaccharide, Cellulosen und Cellulosederivate, Acrylate, Polyvinylbutyral, Polyvinylalkohol, Polyethylenglycol oder Zuckerarten eingesetzt werden.And it is also advantageous if starch, polysaccharides, celluloses and cellulose derivatives, acrylates, polyvinyl butyral, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol or sugars are used as organic, temporary binders.
Von Vorteil ist es auch, wenn als bekannte Hilfs- und Zusatzstoffe Glaspulver, Oxide oder Oxidgemische, Kohlenstoff liefernde organische Verbindungen eingesetzt werden.It is also advantageous if glass powders, oxides or oxide mixtures, carbon-supplying organic compounds are used as known auxiliaries and additives.
Weiterhin von Vorteil ist es, wenn als Unterduck ein Druck von 4 bis 600 Pa angelegt wird.It is also advantageous if a pressure of 4 to 600 Pa is applied as underpressure.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn die Suspension in eine Vakuumkammer oder einen Gefriertrockner eingebracht wird.It is also advantageous if the suspension is introduced into a vacuum chamber or a freeze dryer.
Und auch von Vorteil ist es, wenn die Suspension gleichzeitig einem Unterdruck und Temperaturen unterhalb des Verfestigungsdruckes und der Verfestigungstemperatur des Suspendiermittels ausgesetzt wird.And it is also advantageous if the suspension is simultaneously exposed to a negative pressure and temperatures below the solidification pressure and the solidification temperature of the suspending agent.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die verfestigte Suspension auf die Sublimationstemperatur des Suspendiermittels oder geringfügig darüber erwärmt wird.It is also advantageous if the solidified suspension is heated to the sublimation temperature of the suspending agent or slightly above it.
Weiterhin vorteilhafterweise wird die Suspension in eine Form gegossen und in dieser Form dem Unterdruck ausgesetzt und nachfolgend das Suspendiermittel aus der verfestigten Suspension in der Form sublimiert und entfernt.Further advantageously, the suspension is poured into a mold and exposed to the negative pressure in this form, and subsequently the suspending agent is sublimated from the solidified suspension in the mold and removed.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn während der Suspensionsherstellung Luft und/oder andere Gase in die Suspension, noch vorteilhafterweise mittels Rühren, eingebracht werden.And it is also advantageous if, during suspension production, air and / or other gases are introduced into the suspension, more advantageously by means of stirring.
Von Vorteil ist es auch, wenn der Unterdruck bis zur Verfestigung des Suspendiermittels innerhalb von 1 s bis 1 min eingestellt wird.It is also advantageous if the negative pressure is set to solidification of the suspending agent within 1 s to 1 min.
Und auch von Vorteil ist es, wenn über die Viskosität der Suspension die Größe und Verteilung der Zellen zwischen den Stegen gesteuert wird, wobei eine höherviskose Suspension eine geringere Größe und Verteilung der Zellen zwischen den Stegen zur Folge hat.It is also advantageous if the viscosity of the suspension controls the size and distribution of the cells between the webs, with a higher-viscosity suspension resulting in a smaller size and distribution of the cells between the webs.
Der erfindungsgemäße leichtgewichtige Grünkörper in Form einer Schaumstruktur mit dreidimensional miteinander verbundenen Stegen besteht aus
- – einem keramischen und/oder pulvermetallurgischen Material sowie aus Bindemittelpartikeln
- – oder aus einem keramischen und/oder pulvermetallurgischen Material sowie Bindemittelpartikeln und Hilfs- und Zusatzstoffen für die Sinterung von keramischen und/oder pulvermetallurgischen Materialien,
- - A ceramic and / or powder metallurgical material and binder particles
- Or of a ceramic and / or powder metallurgical material as well as binder particles and auxiliaries and additives for the sintering of ceramic and / or powder metallurgical materials,
Ebenfalls vorteilhafterweise sind als keramische Materialien Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Mischoxide, Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Magnesiumoxid, Siliziumoxid, Porzellan, Mullit, Steatit, Cordierit oder andere silikatische Materialien vorhanden.Also advantageously present as ceramic materials are alumina, zirconia, mixed oxides, aluminum nitride, silicon nitride, silicon carbide, magnesia, silica, porcelain, mullite, steatite, cordierite or other silicate materials.
Weiterhin vorteilhafterweise sind als pulvermetallurgische Materialien Stähle, Titanium, Aluminium oder Eisen vorhanden.Further advantageously, as powder metallurgical materials steels, titanium, aluminum or iron are present.
Vorteilhafterweise bestehen die Stege neben Keramikpartikeln und/oder Metallpartikeln und Bindemittelpartikeln aus Hilfs- und Zusatzstoffen für die Sinterung von keramischen und/oder pulvermetallurgischen Materialien.Advantageously, the webs in addition to ceramic particles and / or metal particles and binder particles from auxiliaries and additives for the sintering of ceramic and / or powder metallurgy materials.
Auch vorteilhafterweise sind als Bindemittel organische, temporäre Bindemittel vorhanden, die noch vorteilhafterweise Stärke, Polysaccharide, Cellulosen und Cellulosederivate, Acrylate, Polyvinylbutyral, Polyvinylalkohol, Polyethylenglycol oder Zuckerarten sind.Also advantageously as binders organic, temporary binders are present, which are still advantageously starch, polysaccharides, celluloses and cellulose derivatives, acrylates, polyvinyl butyral, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol or sugars.
Und ebenfalls vorteilhafterweise sind als bekannte Hilfs- und Zusatzstoffe Glaspulver, Oxide oder Oxidgemische, Kohlenstoff liefernde organische Verbindungen vorhanden.And likewise advantageously, glass powders, oxides or oxide mixtures, carbon-supplying organic compounds are present as known auxiliaries and additives.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines leichtgewichtigen Formkörpers aus einem keramischen und/oder pulvermetallurgischen Material, bei dem ein Grünkörper bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur der keramischen und/oder pulvermetallurgischen Materialien gesintert wird.In the method according to the invention for producing a lightweight molding of a ceramic and / or powder metallurgical material, in which a green body is sintered at temperatures below the melting temperature of the ceramic and / or powder metallurgical materials.
Die erfindungsgemäßen leichtgewichtigen Grün- und Formkörper weisen eine Struktur aus offenen und geschlossenen Zellen auf, die von den Stegen gebildet werden. Die Stege bestehen aus einem keramischen und/oder pulvermetallurgischen Material, wobei beim Grünkörper noch Bindemittel und/oder Hilfs- und Zusatzstoffe für die Sinterung der Materialien vorhanden sein können.The lightweight green and shaped bodies according to the invention have a structure of open and closed cells, which are formed by the webs. The webs are made of a ceramic and / or powder metallurgical material, wherein the green body still binder and / or auxiliaries and additives for the sintering of the materials may be present.
Die erfindungsgemäßen leichtgewichtigen Grünkörper bestehen aus einem geschäumten oder porösen Körper mit einer spezifischen Masse von 10 bis 90% des reinen Materials mit einer Vielzahl von geschlossenen, isolierten oder offenen, teilweise miteinander verbundenen, im allgemeinen sphärischen Zellen oder einer Kombination aus beiden Zellarten mit Zellgrößen im Bereich von 10 μm bis 10 mm, wobei alle diese Zellen von den Stegen gebildet werden. Diese Zellen sind nicht die Poren, die sich im Stegmaterial befinden.The lightweight green bodies of the invention consist of a foamed or porous body having a specific mass of 10 to 90% of the pure material with a plurality of closed, isolated or open, partially interconnected, generally spherical cells or a combination of both cell types with cell sizes Range of 10 microns to 10 mm, all of these cells are formed by the webs. These cells are not the pores that are in the web material.
Gegenüber metallischen Schäumen, die über Schmelze-Verfahren erzeugt wurden, unterscheiden sich die erfindungsgemäßen leichtgewichtigen Formkörper dadurch, dass sie über eine Sinterung ihre Endfestigkeit erhalten. Während die metallischen Schäume ein Erstarrungsgefüge aufweisen, zeigen die erfindungsgemäßen Strukturen der Formkörper ein materialtypisches Sintergefüge.Compared with metallic foams which have been produced by melt processes, the lightweight moldings according to the invention differ in that they obtain their final strength via sintering. While the metallic foams have a solidification structure, the structures according to the invention of the shaped bodies show a material-typical sintered structure.
Gegenüber den mit Phosphorsäure als Triebmittel hergestellten metallischen Schäumen weisen die erfindungsgemäßen Strukturen der Grün- und Formkörper keine Phosphatbindephasen im Gefüge auf.Compared with the metallic foams prepared with phosphoric acid as a propellant, the structures according to the invention of the green and shaped bodies have no phosphate binder phases in the microstructure.
Gegenüber keramischen und metallischen Schaumstrukturen, die über Beschichten polymerer Schaumskelettstrukturen mit Pulversuspensionen erzeugt werden, zeichnen sich die erfindungsgemäßen Strukturen der Grün- und Formkörper dadurch aus, dass sie keine Hohlstege aufweisen, welche Replikate der ausgebrannten Polymerstrukturen darstellen.Compared with ceramic and metallic foam structures which are produced by coating polymeric foam skeleton structures with powder suspensions, the structures according to the invention of the green and shaped bodies are characterized by the fact that they have no hollow webs, which represent replicas of the burned-off polymer structures.
Die Strukturen der erfindungsgemäßen Grünkörper lassen sich von allen anderen keramischen und metallischen Schaumstrukturen dadurch unterscheiden, dass die Stege der Grünkörper Oberflächenmerkmale und Poren aufweisen, die von der Erstarrung des Suspendiermittels und dem häufig damit verbundenen Kristallwachstum herrühren. Im Falle von Wasser als Suspendiermittel weisen die Stege des Grünkörpers die Strukturen der sublimierten Eiskristalle auf. Diese charakteristischen Erstrarrungsstrukturen lassen sich beispielsweise im Rasterelektronenmikroskop nachweisen und geben eine Hinweis auf die Entstehungsgeschichte der jeweiligen geschäumten, porösen Struktur (Bilder 1–5)The structures of the green bodies according to the invention can be distinguished from all other ceramic and metallic foam structures in that the webs of the green bodies have surface features and pores resulting from the solidification of the suspending agent and the often associated crystal growth. In the case of water as a suspending agent, the webs of the green body have the structures of the sublimated ice crystals. These characteristic structures of erosion can, for example, be detected in the scanning electron microscope and give an indication of the genesis of the particular foamed, porous structure (Figs. 1-5).
Bild 1: Steg einer ungesinterten Aluminiumoxidschaumstruktur mit Poren von EiskristallenFigure 1: Bar of an unsintered alumina foam structure with pores of ice crystals
Bild 2: Steg einer ungesinterten Aluminiumoxidschaumstruktur mit Poren von EiskristallenFigure 2: Bar of an unsintered alumina foam structure with pores of ice crystals
Bild 3: Steg einer ungesinterten Aluminiumoxidschaumstruktur mit Poren von Eiskristallen Figure 3: Bar of an unsintered alumina foam structure with pores of ice crystals
Bild 4: Steg einer ungesinterten Stahlschaumstruktur mit Poren von EiskristallenFigure 4: Bar of a unsintered steel foam structure with pores of ice crystals
Bild 5: Steg einer ungesinterten Stahlschaumstruktur mit Poren von EiskristallenFigure 5: Bar of a unsintered steel foam structure with pores of ice crystals
Aus keramischen und/oder pulvermetallurgischen Materialien wird mit einem Suspendiermittel und Bindemitteln und gegebenenfalls Hilfs- oder Zusatzstoffen für die Sinterung der Materialien eine Suspension mit Feststoffgehalten von > 1 bis 98 Vol.-% hergestellt. Eine derartige erfindungsgemäß eingesetzte Suspension kann aufgrund der Feststoffgehalte eine Viskosität von leicht flüssig bis pastös aufweisen.From ceramic and / or powder metallurgical materials, a suspension with solids contents of> 1 to 98% by volume is produced with a suspending agent and binders and optionally auxiliaries or additives for the sintering of the materials. Such a suspension used according to the invention may have a viscosity of slightly liquid to pasty due to the solids contents.
Die Suspension kann vorteilhafterweise gerührt werden. Über die Menge an eingebrachter Luft oder anderen Gasen in die Suspension und die Viskosität der Suspension kann die Anzahl und Größe der Zellen, die durch die Stege gebildet werden, gesteuert werden.The suspension can be stirred advantageously. The amount of introduced air or other gases in the suspension and the viscosity of the suspension can control the number and size of cells formed by the webs.
Die Suspension wird in Formen, hohle Bauteilstrukturen oder Gefäße gefüllt und in eine Vorrichtung überführt, in der die Suspension einem Unterdruck ausgesetzt werden kann. Dies ist vorteilhafterweise ein Vakuumgefäß oder ein Gefriertrockner.The suspension is filled into molds, hollow component structures or vessels and transferred to a device in which the suspension can be exposed to a negative pressure. This is advantageously a vacuum vessel or a freeze dryer.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die hergestellte Suspension, während sie einem Unterdruck bis mindestens zur Verfestigung/Erstarrung/Einfrieren des Suspendiermittels ausgesetzt wird, aufgeschäumt. Durch das Anlegen des Unterdruckes wird die in der Suspension zwangsläufig vorhandene Luft oder andere Gase aus der Suspension entfernt/herausgesaugt. Dadurch und durch den aufgrund des verringerten Umgebungsdruckes abgesenkten Siedepunkt des Suspendiermittels schäumt die Suspension auf und es entsteht eine leichtgewichtige hochporöse Struktur bis zu einer Schaumstruktur. Das Aufschäumen der Suspension kann auch erreicht werden, indem die Suspension vorteilhafterweise in einer Form, einer hohlen Bauteilstruktur oder einem Gefäß verfestigt/erstarrt/eingefroren wird. Diese verfestigte/erstarrte/eingefrorene Suspension wird nun einem Unterdruck ausgesetzt, wobei dabei die verfestigte/erstarrte/eingefrorene Suspension bis über die Schmelztemperatur des Suspendiermittels erwärmt wird. Durch die mindestens teilweise Verflüssigung des Suspendiermittels kann die Suspension wieder aufschäumen. Durch die weitere Druckabsenkung wird dann wieder ein Gleichgewicht zwischen Druck und Temperatur erreicht, so dass die aufgeschäumte Suspension dann erneut verfestigt/erstarrt/eingefroren wird.By the method according to the invention, the suspension produced, while it is subjected to a negative pressure until at least solidification / solidification / freezing of the suspending agent, foamed. By applying the negative pressure, the air or other gases inevitably present in the suspension is removed / sucked out of the suspension. As a result of this and due to the lowered boiling point of the suspending agent due to the reduced ambient pressure, the suspension foams up and results in a lightweight highly porous structure up to a foam structure. The foaming of the suspension can also be achieved by advantageously solidifying / solidifying / freezing the suspension in a mold, a hollow component structure or a vessel. This solidified / solidified / frozen suspension is then subjected to a reduced pressure, whereby the solidified / solidified / frozen suspension is heated above the melting temperature of the suspending agent. By at least partial liquefaction of the suspending agent, the suspension can foam again. As a result of the further pressure reduction, a balance between pressure and temperature is again achieved, so that the foamed suspension is then solidified / solidified / frozen again.
Im Anschluss an die Herstellung der Schaumstruktur wird die Sublimation des Suspendiermittels durchgeführt und der Grünkörper hergestellt.Subsequent to the preparation of the foam structure, the sublimation of the suspending agent is carried out and the green body is produced.
Weiterhin kann erfindungsgemäß die Suspension aus den keramischen und/oder metallischen Pulvern mit einer Gel bildenden Substanz, wie z. B. kolloidalen oder polymeren Solen, Agar oder Gelatine, versetzt werden. Nach Anlegen eines Unterdruckes auf die Suspension setzt während der Evakuierung des Gefäßes die Blasenbildung in der Suspension ein, die zur erfindungsgemäßen leichtgewichtigen porösen bis geschäumten Struktur führt. Wenn Gele zu Suspendiermitteln eingesetzt werden, weisen vorteilhafterweise die Stege des Grünkörpers die Strukturen der Gelstruktur auf. Durch weiteres Absenken des Umgebungsdruckes, beispielsweise auf Drücke < 600 Pa werden die Gleichgewichtsbedingungen erreicht, die ein Verfestigen/Erstarren/Einfrieren der Struktur bewirkt. Gleichzeitig bewirkt die Gelbildung eine zusätzliche Verfestigung der Struktur.Furthermore, according to the invention, the suspension of the ceramic and / or metallic powders with a gel-forming substance such. As colloidal or polymeric sols, agar or gelatin are added. After applying a negative pressure to the suspension during the evacuation of the vessel, the formation of bubbles in the suspension, which leads to the inventive lightweight porous to foamed structure. When gels are used as suspending agents, advantageously the webs of the green body have the structures of the gel structure. By further lowering the ambient pressure, for example to pressures <600 Pa, the equilibrium conditions are achieved, which causes solidification / solidification / freezing of the structure. At the same time, the gel formation causes an additional solidification of the structure.
Der verfestigte/erstarrte/gefrorene Schaum wird dann den Sublimationsbedingungen ausgesetzt und das Suspendiermittel entfernt, so dass der Grünkörper entsteht.The solidified / solidified / frozen foam is then subjected to sublimation conditions and the suspending agent is removed to form the green body.
Im speziellen Fall des Einsatzes von Gel bildenden Substanzen kann die erfindungsgemäße Schaumstruktur aber auch nach ihrem Verfestigen/Erstarren/Einfrieren unter Umgebungsdruck dem Vakuumgefäß entnommen und auf Raumtemperatur erwärmt werden. Obwohl die geschäumte oder poröse Struktur zu diesem Zeitpunkt noch nicht getrocknet ist, und der Porenraum zwischen den Stegen mit dem Suspendiermittel, vorzugsweise Wasser oder Lösungsmittel, gefüllt ist, verleiht das entstandene Gel dem Formkörper Festkörpereigenschaften. Die Restfeuchte kann nun der Struktur über konventionelle Trocknungsverfahren, wie Verdunstungs- oder Verdampfungstrocknung entfernt werden, wodurch der erfindungsgemäße Grünkörper entsteht.In the special case of the use of gel-forming substances, however, the foam structure according to the invention can also be removed from the vacuum vessel after solidification / solidification / freezing under ambient pressure and warmed to room temperature. Although the foamed or porous structure is not yet dried at this time, and the pore space between the lands is filled with the suspending agent, preferably water or solvent, the resulting gel imparts solid properties to the molding. The residual moisture can now be removed from the structure by conventional drying methods, such as evaporation or evaporation drying, whereby the green body according to the invention is formed.
Der erfindungsgemäße Grünkörper wird im Anschluss einem Sinterprozess unterzogen, der zur Verfestigung der keramischen oder metallischen Pulverteilchen führt und der Schaumstruktur seine endgültigen Festkörpereigenschaften verleiht.The green body according to the invention is subsequently subjected to a sintering process which leads to the solidification of the ceramic or metallic powder particles and gives the foam structure its final solid-state properties.
Vorteilhafterweise kann die Suspension gleich in eine Form gefüllt und diese evakuiert werden, so dass der entstehende Grünkörper auch ein geformter Grünkörper ist.Advantageously, the suspension can be immediately filled in a mold and these are evacuated, so that the resulting green body is also a molded green body.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird ein Suspendiermittel auf wässriger Basis verwendet.Also advantageously, an aqueous based suspending agent is used.
Es ist aber auch möglich, anstelle von Wasser als Suspendiermittel für die Suspension organische Lösungsmittel, z. B. tertiären Butylalkohol, Cyclohexan oder Cyclohexanol einzusetzen. Gemäß den Zustandsdiagrammen dieser Lösungsmittel im Vergleich zu dem des Wassers, ändern sich dann die Eigenschaften Dampfdruck, Schmelzpunkt und Siedepunkt, die bei der Prozessführung beachtet werden müssen. Die verwendeten Lösungsmittel müssen die Bedingung erfüllen, dass der Druck in einer bekannten Vorrichtung bis unterhalb des Gleichgewichtsdruckes der Schmelztemperatur des Lösungsmittels abgesenkt werden kann. Nur dann kann der Phasenübergang zum Festkörper vollzogen werden. Existiert keine derartige Vorrichtung so kann das Lösungsmittel als Suspendiermittel nicht eingesetzt werden.But it is also possible, instead of water as suspending agent for the suspension of organic solvents, for. B. tertiary butyl alcohol, Use cyclohexane or cyclohexanol. According to the state diagrams of these solvents compared to that of the water, the properties of vapor pressure, melting point and boiling point then change, which must be taken into account during the process. The solvents used must meet the condition that the pressure in a known device can be lowered below the equilibrium pressure of the melting temperature of the solvent. Only then can the phase transition to the solid be completed. If there is no such device, the solvent can not be used as the suspending agent.
Weiterhin vorteilhafterweise wird die Evakuierung in einem Vakuumgefäß oder einem Gefriertrockner durchgeführt.Further advantageously, the evacuation is carried out in a vacuum vessel or a freeze dryer.
Aufgrund der weiteren Absenkung des Drucks bis zur Verfestigung/Erstarrung/Einfrieren des Suspendiermittels, verfestigt/erstarrt/gefriert dieses schlagartig und die leichtgewichtige hochporöse Struktur bis Schaumstruktur der Suspension bleibt erhalten. Die Verfestigung/Erstarrung/Einfrieren des Suspendiermittels erfolgt durch die Erreichung eines Gleichgewichtsdruckes, der der Temperatur beim Gefrierpunkt des Suspendiermittels entspricht. Die Verfestigung/Erstarrung/Einfrieren des Suspendiermittels ist quasi die Verfestigung oder das Einfrieren des Suspendiermittels.Due to the further lowering of the pressure until solidification / solidification / freezing of the suspending agent, this solidifies / freezes / freezes and the lightweight, highly porous structure until foam structure of the suspension is maintained. The solidification / solidification / freezing of the suspending agent is achieved by the achievement of an equilibrium pressure which corresponds to the temperature at the freezing point of the suspending agent. The solidification / solidification / freezing of the suspending agent is, as it were, the solidification or the freezing of the suspending agent.
Die verfestigte oder erstarrte oder gefrorene geschäumte Suspension als Grünkörper kann nun auch mittels physikalischer oder chemischer Verfahren, vorteilhafterweise mittels mechanischer Verfahren bearbeitet werden, wobei bei dieser Bearbeitung beachtet werden muss, dass das Suspendiermittel nicht schmilzt, also den erstarrten Zustand verliert.The solidified or solidified or frozen foamed suspension as a green body can now also be processed by means of physical or chemical processes, advantageously by means of mechanical processes, whereby care must be taken during this processing that the suspending agent does not melt, ie loses the solidified state.
Nachfolgend wird das verfestigte/erstarrte/gefrorene Suspendiermittel der erfindungsgemäßen Grünkörper sublimiert. Dabei werden Druck und Temperatur so eingestellt, dass in jedem Fall keine Verflüssigung des Suspendiermittels erfolgen kann und gleichzeitig das Suspendiermittel möglichst vollständig sublimiert.Subsequently, the solidified / solidified / frozen suspending agent of the green bodies according to the invention is sublimated. In this case, the pressure and temperature are adjusted so that in any case no liquefaction of the suspending agent can take place and, at the same time, the suspending agent is sublimated as completely as possible.
Das sublimierte Suspendiermittel wird aus dem Grundkörper und aus seiner räumlichen Umgebung entfernt. Dies kann vorteilhafterweise in einem Gefriertrockner erfolgen, aus dem das gasförmige Suspendiermittel abgesaugt wird.The sublimed suspending agent is removed from the body and from its spatial environment. This can advantageously be done in a freeze dryer, from which the gaseous suspending agent is removed by suction.
Danach kann der erfindungsgemäße Grünkörper den Umgebungsbedingungen ausgesetzt werden.Thereafter, the green body according to the invention can be exposed to the ambient conditions.
Die Sublimation kann ebenso wie die Schäumung und die Verfestigung/Erstarrung/Einfrieren des Suspendiermittels durch Druck und Temperatur gesteuert werden.The sublimation, as well as the foaming and the solidification / solidification / freezing of the suspending agent, can be controlled by pressure and temperature.
Die Gleichgewichtsbedingungen für die Schäumung, die Verfestigung/Erstarrung/Einfrieren des Suspendiermittels und die Sublimation sind für die erfindungsgemäß einsetzbaren Suspendiermittel bekannt.The equilibrium conditions for the foaming, the solidification / solidification / freezing of the suspending agent and the sublimation are known for the suspending agents which can be used according to the invention.
Im Falle der Verwendung von Wasser als Suspendiermittel wird der Druck bei Raumtemperatur auf ≤ 600 Pa abgesenkt, was dem Tripelpunkt des Wassers entspricht. Dadurch wird ein Aufschäumen der wässrigen Suspension erreicht und gleichzeitig friert das Wasser bei Erreichen dieses Druckes ein. Der Grünkörper mit der eingefrorenen Schaumstruktur wird dann einem Druck von 4 bis 250 Pa ausgesetzt. Innerhalb dieses Druckbereiches sublimiert das Wasser bei einer Stellflächentemperatur von 20–25°C. Die Sublimationsgeschwindigkeit kann erhöht werden, wenn die Temperatur bis auf 40–60°C erhöht wird. Dies kann beispielsweise über eine zusätzliche Wärmequelle, z. B. durch einen Wärmestrahler, durch Induktionsbeheizung, durch Mikrowellenenergie oder durch eine Heizplatte unterstützt werden.In the case of using water as a suspending agent, the pressure at room temperature is lowered to ≦ 600 Pa, which corresponds to the triple point of the water. As a result, foaming of the aqueous suspension is achieved and, at the same time, the water freezes upon reaching this pressure. The green body with the frozen foam structure is then exposed to a pressure of 4 to 250 Pa. Within this pressure range, the water sublimes at a shelf temperature of 20-25 ° C. The sublimation rate can be increased when the temperature is raised to 40-60 ° C. This can be done for example via an additional heat source, eg. B. be supported by a heat radiator, by induction heating, by microwave energy or by a hot plate.
Zur Erhöhung der Festigkeit der infolge der Sublimation getrockneten Schaumstruktur können der Suspension übliche temporäre Bindemittel zugesetzt werden. Der erfindungsgemäße Grünkörper in Form eines getrockneten Schaumes, der während der Sublimationstrocknung keiner Trocknungsschwindung unterliegt, wird am Anschluss einem Sinterprozess unterzogen, der zur Verfestigung der keramischen oder metallischen Pulverteilchen führt und der Schaumstruktur seine endgültigen Festkorpereigenschaften verleiht. Dabei ist zu beachten, dass die Sinterbedingungen kein Aufschmelzen einer der Komponenten ermöglicht, da sonst die geschäumte Struktur verloren gehen würde.To increase the strength of the foam structure dried as a result of the sublimation, customary temporary binders can be added to the suspension. The green body according to the invention in the form of a dried foam, which does not undergo any drying shrinkage during the sublimation drying, is subjected to a sintering process at the connection, which leads to the solidification of the ceramic or metallic powder particles and gives the foam structure its final solid-state properties. It should be noted that the sintering conditions does not allow melting of any of the components, otherwise the foamed structure would be lost.
Den Suspensionen können vorteilhafterweise Gefrierpunkt-erniedrigende Substanzen zugesetzt werden, wie z. B. Glycerin, Ethanol, Aceton, Isopropanol. Auf diese Weise kann ein Schäumen der Suspensionen auch bei niedrigeren Umgebungsdrücken als < 600 Pa erzielt werden.The suspensions may advantageously be added freezing point-lowering substances, such as. As glycerol, ethanol, acetone, isopropanol. In this way, a foaming of the suspensions can be achieved even at lower ambient pressures than <600 Pa.
Der erfindungsgemäß hergestellte leichtgewichtige Formkörper aus einem mindestens hochporösen keramischen und/oder pulvermetallurgischen Material besteht aus einer mindestens hochporösen Struktur aus dreidimensional miteinander verbundenen Stegen, die vollständig aus einem versinterten keramischen und/oder pulvermetallurgischen Material bestehen und im Wesentlichen keine Poren und/oder Hohlräume aufweisen, wobei keine Risse, Hohlräume und Poren von entfernten Materialien zur Erzeugung der mindestens Hochporosität vorhanden sind.The lightweight molded body produced according to the invention from an at least highly porous ceramic and / or powder metallurgical material consists of an at least highly porous structure of three-dimensionally interconnected webs which consist entirely of a sintered ceramic and / or powder metallurgical material and have substantially no pores and / or cavities, wherein there are no cracks, voids and pores of removed materials to produce the at least high porosity.
Dabei können die dreidimensional miteinander verbundenen Stege aus Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Mischoxide, Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Magnesiumoxid, Siliziumoxid, Porzellan, Mullit, Steatit, Cordierit oder anderen silikatischen Materialien bestehen, vorteilhafterweise aus Stählen, Titanium, Aluminium oder Eisen. In this case, the three-dimensionally interconnected webs of alumina, zirconia, mixed oxides, aluminum nitride, silicon nitride, silicon carbide, magnesium oxide, silica, porcelain, mullite, steatite, cordierite or other silicate materials, advantageously of steels, titanium, aluminum or iron.
Weiterhin vorteilhafterweise beträgt die Dichte des dreidimensional miteinander verbundenen versinterten Stegmaterials ≥ 80 % der theoretischen Dichte.Further advantageously, the density of the three-dimensional interconnected sintered web material ≥ 80% of the theoretical density.
Als Vorteil gegenüber den bekannten Verfahren der Metallschaumherstellung werden die erfindungsgemäßen Grün- und Formkörper in höchstem Maß umweltfreundlich herstellbar, da keine Treibmittel zur Gasbildung verwendet werden müssen. Weiterhin arbeitet das beschriebene Verfahren sehr energiesparend, da die Erzeugung der hochporösen bis Schaumstruktur nicht in der Schmelze oder durch thermische Zersetzung des Treibmittels erfolgt, sondern bei Temperaturen um den Gefrierpunkt des Suspendiermittels.As an advantage over the known methods of metal foam production, the green and shaped bodies according to the invention are produced in the highest degree environmentally friendly, since no propellants must be used for gas formation. Furthermore, the method described works very energy-saving, since the production of highly porous to foam structure is not carried out in the melt or by thermal decomposition of the blowing agent, but at temperatures around the freezing point of the suspending agent.
Als weiterer Vorteil gegenüber den bekannten Verfahren ist anzuführen, dass die Größe und Verteilung der Zellen, die durch die Stege gebildet werden, über eine Regelung von Druck und Temperatur auf die Suspension genau eingestellt werden kann.As a further advantage over the known methods, it should be mentioned that the size and distribution of the cells formed by the webs can be adjusted precisely by regulating the pressure and temperature of the suspension.
Das Zellenvolumen kann über die Suspensionsherstellung, die Viskosität der Suspension, den Feststoffgehalt der Suspensionen und ebenfalls über die Prozessführung von Druck und Temperatur gesteuert werden. Die Bildung der Zellen kann über die Drucksteuerung abrupt durch Verfestigung/Erstarrung/Einfrieren der Suspension unterbrochen werden.The cell volume can be controlled via the preparation of the suspension, the viscosity of the suspension, the solids content of the suspensions and likewise via the process control of pressure and temperature. The formation of the cells can be abruptly interrupted by the pressure control by solidification / solidification / freezing of the suspension.
Als Vorteile gegenüber den bekannten Verfahren der Schaumkeramikherstellung sind zu nennen, dass die Schaumstrukturen kein Ausbrennen eines Polymers für die Zellenstruktur oder eines organischen Platzhalters erfordern, als Zellenbildner vorteilhafterweise Wasserdampf fungiert und keramische Vollstege erzielt werden können. Eine thermische Behandlung des Materials zur Schaumbildung infolge Treibmittelzersetzung ist nicht erforderlich.As advantages over the known methods of foam ceramic manufacture, it should be mentioned that the foam structures do not require burning out of a polymer for the cell structure or an organic spacer, as cell formers advantageously steam and ceramic full webs can be achieved. A thermal treatment of the material for foaming due to blowing agent decomposition is not required.
Weiterhin ist von Vorteil, dass die Formkörper bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperaturen der Komponenten gesintert werden. Damit entsteht keine Schmelzphase, wodurch die hochporöse bis Schaumstruktur erhalten bleibt und andererseits keine Umwandlungsvorgänge der Materialien erfolgen können.Furthermore, it is advantageous that the shaped bodies are sintered at temperatures below the melting temperatures of the components. This results in no melting phase, whereby the highly porous to foam structure is maintained and on the other hand, no conversion processes of the materials can take place.
Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to several exemplary embodiments.
Beispiel 1:Example 1:
428 g Aluminiumoxidpulver (A-16, ALCOA) mit einer Teilchengröße von d50 = 0,4 μm werden in 75 g Wasser unter Zugabe von 5 ml eines Verflüssigers (Dolapix CE64 Zschimmer & Schwarz) unter Rühren im Ultraschallbad dispergiert. Als temporärer Binder werden der Suspension 10 ml 15 %iger Moviol-Lösung zugegeben. 10 ml der Suspension mit einem Feststoffgehalt von 85 Ma.-% werden nach 1 h Rühren bei Raumtemperatur in eine zylindrische Silikonkautschukform (∅ 25 mm) eingefüllt und auf der Stellfläche eines Gefriertrockners (Gamma 20, Fa. Martin Christ) positioniert. Anschließend wird der Druck in der Vakuumkammer des Gefriertrockners auf einen Druck von 125 Pa abgesenkt, was einer Gleichgewichtstemperatur des Eises von –18°C entspricht. Während der Druckabsenkung wird die Suspension aufgeschäumt. Bei Erreichen des Gefrierpunktes der Suspension friert der so entstandene Schaum schlagartig ein. Nach Erreichen des Vakuumdruckes von 125 Pa wird die Stellflächenheizung auf 30°C eingestellt und die Gefriertrocknung gestartet. Nach 48 h wird der Gefriertrocknungsprozess beendet und die getrocknete Schaumprobe als Grünkörper entnommen. Die Entfernung des temporären Bindemittels erfolgt bei 500°C. Nachfolgend wird die Sinterung an Luft mit einer Aufheizrate von 3 K/min bei 1700°C über 1 h Haltezeit durchgeführt. Die auf diese Weise erhaltene geschäumte Struktur weist eine Dichte von 56% der Dichte von Aluminiumoxid (3,99 g/cm3) auf. Der Anteil an offener Porosität zwischen den Stegen beträgt 35%.428 g of alumina powder (A-16, ALCOA) with a particle size of d 50 = 0.4 microns are dispersed in 75 g of water with the addition of 5 ml of a condenser (Dolapix CE64 Zschimmer & Schwarz) with stirring in an ultrasonic bath. As a temporary binder, 10 ml of 15% Moviol solution are added to the suspension. After stirring for 1 hour at room temperature, 10 ml of the suspension having a solids content of 85% by mass are introduced into a cylindrical silicone rubber mold (∅ 25 mm) at room temperature and are positioned on the support surface of a freeze dryer (Gamma 20, Martin Christ). Subsequently, the pressure in the vacuum chamber of the freeze dryer is lowered to a pressure of 125 Pa, which corresponds to an equilibrium temperature of the ice of -18 ° C. During the pressure reduction, the suspension is foamed. Upon reaching the freezing point of the suspension of the resulting foam freezes abruptly. After reaching the vacuum pressure of 125 Pa, the surface heating is set to 30 ° C and freeze-drying is started. After 48 hours, the lyophilization process is stopped and the dried foam sample removed as a green body. The temporary binder is removed at 500 ° C. Subsequently, the sintering is carried out in air at a heating rate of 3 K / min at 1700 ° C for 1 h hold time. The foamed structure thus obtained has a density of 56% of the density of alumina (3.99 g / cm 3 ). The proportion of open porosity between the webs is 35%.
Beispiel 2:Example 2:
415 g Aluminiumoxidpulver (A-16, ALCOA) mit einer Teilchengröße von d50 = 0,4 μm werden in 80 g Wasser unter Zugabe von 5 ml eines Verfüssigers (Dolapix CE64 (Zschimmer & Schwarz) unter Rühren im Ultraschallbad dispergiert. Als temporärer Binder werden der Suspension 10 ml 15%iger Moviol-Lösung zugegeben. 10 ml der Suspension mit einem Feststoffgehalt von 83,86 Ma.-% werden nach 1 h Rühren bei Raumtemperatur in eine zylindrische Silikonkautschukform (∅ 25 mm) eingefüllt und auf der Stellfläche eines Gefriertrockners (Gamma 20, Fa. Martin Christ) positioniert. Anschließend wird der Druck in der Vakuumkammer des Gefriertrockners auf einen Druck von 125 Pa abgesenkt, was einer Gleichgewichtstemperatur des Eises von –18°C entspricht. Während der Druckabsenkung wird die Suspension aufgeschäumt. Bei Erreichen des Gefrierpunktes der Suspension friert der so entstandene Schaum schlagartig ein. Nach Erreichen des Vakuumdruckes wird die Stellflächenheizung auf 30°C eingestellt und die Gefriertrocknung gestartet. Nach 48 h wird der Gefriertrocknungsprozess beendet und die getrocknete Schaumprobe entnommen. Die Entfernung des temporären Bindemittels erfolgt bei 500°C. Nachfolgend wird die Sinterung an Luft mit einer Aufheizrate von 3 K/min bei 1700°C über 1 h Haltezeit durchgeführt.415 g of aluminum oxide powder (A-16, ALCOA) with a particle size of d 50 = 0.4 μm are dispersed in 80 g of water with the addition of 5 ml of a disposable cleaner (Dolapix CE64 (Zschimmer & Schwarz) with stirring in an ultrasonic bath.) As a temporary binder 10 ml of 15% Moviol solution are added to the suspension, and 10 ml of 83.86% by weight of the suspension are poured into a cylindrical silicone rubber mold (∅ 25 mm) at room temperature for 1 h and placed on a footwell Then the pressure in the vacuum chamber of the freeze dryer is lowered to a pressure of 125 Pa, which corresponds to an equilibrium temperature of the ice of -18 ° C. During the pressure reduction, the suspension is foamed After reaching the freezing point of the suspension, the resulting foam freezes abruptly After reaching the vacuum pressure, the surface heating is set to 30 ° C lt and the freeze-drying started. After 48 hours, the lyophilization process is stopped and the dried foam sample removed. The temporary binder is removed at 500 ° C. Subsequently, the sintering is carried out in air at a heating rate of 3 K / min at 1700 ° C for 1 h hold time.
Die erhaltene geschäumte Struktur weist eine Dichte von 45% der Dichte von Aluminiumoxid (3,99 g/cm3) auf. Der Anteil an offener Porosität zwischen den Stegen beträgt 48%.The resulting foamed structure has a density of 45% of the density of alumina (3.99 g / cm 3 ). The proportion of open porosity between the lands is 48%.
Beispiel 3:Example 3:
460 g Stahlpulver (Micro Melt 17-4 PH, Carpenter) mit einer Teilchengröße von d90 < 22 μm werden in 33,5 g Wasser durch Rühren im Ultraschallbad dispergiert. 15 ml eines Dispergierhilfsmittels (Dolapix CE64, Fa. Zschimmer & Schwarz) eingesetzt. Zusätzlich werden der Suspension 2,5 ml Glycerin zur Herabsetzung des Gefrierpunktes zugesetzt. Der Feststoffgehalt der Suspension beträgt 92,9 Ma.-%. Die Suspension wird anschließend in Silikonkautschukformen eingefüllt und durch Kontakt mit einer in Flüssigstickstoff gekühlten Metallplatte (–196°C) eingefroren. Bis zur Überführung in den Gefriertrockner werden die gefrorenen Suspensionen 24 h in einem Tiefkühlschrank bei – 21°C gelagert. Die gefrorenen zylinderförmigen Proben (∅ 25 mm, h = 6 mm) werden anschließend entformt und in Metallschalen auf den Stellflächen des Gefriertrockners bei Raumtemperatur positioniert. Der Druck in der Vakuumkammer des Gefriertrockners wird unmittelbar im Anschluss daran auf 125 Pa abgesenkt. Während der Druckabsenkung werden die gefrorenen Proben durch den Kontakt mit den wärmeren Stellflächen bis zum Schmelzpunkt des Wassers erwärmt, wodurch ein Aufschäumen der Suspension bewirkt wird. Nach einem Absinken des Druckes in der Vakuumkammer auf den Gleichgewichtsdruck des Wassers, der einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Suspension entspricht, erfolgt ein sofortiges Einfrieren des Wassers und damit der entstandenen Schaumstrukturen. Nach Erreichen des voreingestellten Vakuumdruckes wird die Stellflächenheizung auf 30°C eingestellt und die Gefriertrocknung gestartet. Nach 48 h wird der Gefriertrocknungsprozess beendet und die getrocknete Schaumprobe entnommen. Die Entfernung des temporären Bindemittels erfolgte bei 700°C unter Ar-Atmosphäre mit 5% H2. Die Sinterung wird unter Wasserstoff mit einer Aufheizrate von 3 K/min bei 1380°C über 1 h Haltezeit durchgeführt. Die Dichte der gesinterten Schaumstruktur beträgt 2,87 g/cm3, was 36,8% der theoretischen Dichte der Stahlsorte 17-4 mit 7,8 g/cm3 entspricht. Der Anteil an offener Porosität zwischen den Stegen beträgt 60%.460 g of steel powder (Micro Melt 17-4 PH, Carpenter) with a particle size of d 90 <22 microns are dispersed in 33.5 g of water by stirring in an ultrasonic bath. 15 ml of a dispersing aid (Dolapix CE64, Zschimmer & Schwarz) used. In addition, 2.5 ml of glycerol are added to the suspension to lower the freezing point. The solids content of the suspension is 92.9% by mass. The suspension is then filled into silicone rubber molds and frozen by contact with a metal plate (-196 ° C) cooled in liquid nitrogen. Until the transfer to the freeze dryer, the frozen suspensions are stored for 24 h in a freezer at - 21 ° C. The frozen cylindrical samples (∅ 25 mm, h = 6 mm) are then demolded and positioned in metal dishes on the freeze-dryer shelves at room temperature. The pressure in the vacuum chamber of the freeze dryer is lowered immediately thereafter to 125 Pa. During the pressure reduction, the frozen samples are heated by contact with the warmer shelves to the melting point of the water, causing the suspension to foam. After a decrease in the pressure in the vacuum chamber to the equilibrium pressure of the water, which corresponds to a temperature below the melting point of the suspension, there is an immediate freezing of the water and thus the resulting foam structures. After reaching the pre-set vacuum pressure, the shelf heating is set to 30 ° C and freeze-drying is started. After 48 hours, the lyophilization process is stopped and the dried foam sample removed. The removal of the temporary binder was carried out at 700 ° C under Ar atmosphere with 5% H 2 . The sintering is carried out under hydrogen at a heating rate of 3 K / min at 1380 ° C for 1 h hold time. The density of the sintered foam structure is 2.87 g / cm 3 , which corresponds to 36.8% of the theoretical density of steel grade 17-4 at 7.8 g / cm 3 . The proportion of open porosity between the webs is 60%.
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