DE1296756B - Verfahren zum Herstellen von Verbundwerkstoff aus hoeher schmelzenden Metallteilchenund einer niedriger schmelzenden Komponente - Google Patents

Description

• Sowohl aus Kunststoffen als auch aus metallischen Werkstoffen können durch Einbau von fadenförmigen Glasfasern oder Metallkristallen (von Whiskern) sehr feste Verbundwerkstoffe hergestellt werden. Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Verbundwerkstoff, welcher neben verdichteten und gesinterten, höher schmelzenden Metallteilchen eine niedriger schmelzende, in das poröse Metall eingedrungene Komponente enthält.
• Poröse Stoffe aus Metall können z. B. dadurch hergestellt werden, daß man Kunststoffäden mit Metall beschichtet und die so entstehenden Metallröhrchen, aus denen eventuell der Kunststoff herausgelöst sein kann, preßt und sintert (vgl. USA.-Patentschrift 3 087 233). Derartige Materialien eignen sich je nach Auswahl der Grundstoffe und je nach Herstellungsweise z. B. als Katalysator oder als Filter. Sie können aber auch in selbstschmierenden Lagern angewendet werden. Es ist auch schon ein Verfahren zum Herstellen von Gleitlagern bekanntgeworden (vgl. deutsche Patentschrift 966156), bei dem in die Oberfläche eines porösen durch Sintern gebildeten Metallgefüges PolytetrafluoräthyIen unter Druck und Erwärmung eingepreßt wird. Jedoch entstehen in beiden bekannten Fällen keine massiven festen Körper, sondern im wesentlichen nur poröse Sinterkörper, wobei auch im letzteren Fall nur die poröse Oberflächenschicht des Körpers mit Kunststoff gefüllt ist.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbundwerkstoff zu schaffen, der eine möglichst große Festigkeit hat. Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die Poren eines an sich bekannten Sinterkörpers, der durch Pressen und Sintern aus durch Metallbeschichten von Kunststoff gebildeten Metallröhrchen besteht, mit einer niedriger als die Metallröhrchen schmelzenden Komponente imprägniert, d. h. gefüllt werden.
• Bei der erfindungsgemäßen Herstellung von Verbundwerkstoffen werden also Metallröhrchen gepreßt und gesintert und der so erhaltene porenhaltige Sinterkörper mit einer niedriger als die Metallröhrchen schmelzenden Komponente getränkt. Die niedriger schmelzende Komponente kann Metall oder eine Metallegierung sein. Man erhält dann nach dem Tränken ein metallisches Bauteil hoher Festigkeit. Günstig ist auch die Tränkung des porenhaltigen Sinterkörpers mit einem Kunststoff. Es wird dann ein Kunststoffbauelement erhalten, das durch die Einlage des Metallsintergerüstes eine höhere Festigkeit als der zur Tränkung verwendete Kunststoff besitzt. Mit Metall und Metallegierungen als Tränkkomponente werden besonders gute Effekte erreicht, wenn sie eine geringe Löslichkeit gegenüber dem Gerüstkörper aufweisen.
• Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Metallgerüst vor der Sinterung in einer Metallsalzlösung getränkt. Das Metallsalz wird dann bei der Sinterung in reduzierender Atmosphäre zersetzt und zu Metall reduziert, welches durch Diffusion mit dem Grundmetall eine Legierung bilden kann.
• Mit besonderem Vorteil werden erfindungsgemäß als Ausgangsmaterial Metallröhrchen verwendet, die durch stromlose Abscheidung eines Metalls auf Kunststoffäden erhalten worden sind. Dies zeigt F i g. 1. Das stromlos abgeschiedene Metall 2 befindet sich auf dem zylindrischen Kunststoffaden 1. Für die Fäden sind Polyamide, Polyolefine, Mischpolymerisate, Zellulosederivate usw. geeignet. Für die stromlose Abscheidung ist insbesondere Nickel geeignet. Besonders vorteilhaft sind Metallröhrchen, welche auf der stromlos abgeschiedenen ersten Metallschicht das gleiche Metall oder mindestens ein anderes Metall, wie Eisen, Kobalt, Chrom, Mangan, Titan, Vanadin, Niob, Tantal, Molybdän, Wolfram, Kupfer, Zink, Cadmium oder Zinn, galvanisch abgeschieden enthalten.
• F i g. 2 zeigt die auf dem Kunststoffaden 3 stromlos abgeschiedene Metallschicht 4 und darauf die galvanisch abgeschiedene Schicht 5 aus einem oder mehreren der angegebenen Metalle.
• Nach der Abscheidung auf endlosen Kunststoffäden kann die gewünschte Länge durch Schneiden erreicht werden. In vielen Fällen können Metallröhrchen verwendet werden, die noch die Kunststoffseele enthalten.
• Erfindungsgemäß können die Metallröhrchen nach Entfernen der Kunststoffäden eingesetzt werden. Solche Metallröhrchen sind in den F i g. 3 und 4 dargestellt. Das Entfernen kann z. B. durch Herauslösen der Kunststoffseele- mit einem -Lösungsmittel erfolgt sein oder durch eine Wärmebehandlung im Vakuum oder auch durch die beschriebene Wärmebehandlung in reduzierender Atmosphäre, welcher zweckmäßig eine Wärmebehandlung in oxydierender Atmosphäre vorangegangen ist. Das Verdichten der Metallröhrchen, bei denen die Kunststoffseele entfernt wurde, erfolgt durch Rütteln oder bei kleinem Druck in einer Preßform, damit der überwiegende Teil der Röhrchen für die Tränkung durchgängig bleibt. Für manche Fälle ist es vorteilhaft, die Metallröhrchen einer Wärmebehandlung zu unterwerfen, um das Metall in einen grobkristallinen Zustand überzuführen..
• Bei Verwendung von mehrschichtigen Metallröhrchen aus verschiedenen Metallen kann es vorteilhaft sein, bei einer solchen Temperatur zu sintern, daß eine teilweise bis vollständige. Legierung über den gesamten Röhrchenquerschnitt erreicht wird. Die Sintertemperatur kann so hoch gewählt werden, daß während der Sinterung ein Anteil an flüssiger Phase auftritt, wodurch in relativ kurzer Zeit eine hohe Gerüstfestigkeit erreicht wird.
• Die erfindungsgemäß verwendeten Metallröhrchen haben einen Durchmesser von < 200 [tm, vorzugsweise < 20 gm und ein Längen-Durchmesser-Verhältnis von 5 bis 50. Die Wandstärke beträgt < 20 j,m, vorzugsweise < 5 Rin.
• Die Tränkung des Sintergerüstes mit dem flüssigen Metall erfolgt meist in reduzierender Atmosphäre oder im Vakuum. Tränkmetalle, die das Sintergerüst schlecht benetzen, werden durch die Vakuum-Drucktränkung eingebracht. -Daher -wird zuerst evakuiert, das Gerüst mit dem Tränkmittel überschichtet und mittels Gasdruck eingepreßt. Das Tränken mit Kunststoffen erfolgt vorzugsweise in Preßformen.
• Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine günstige räumliche Anordnung der Metallkomponenten und des Kunststoffes im Verbundwerkstoff erreicht, die nach dem Sintern und Tränken des Gerüstes eine hohe Festigkeit des Verbundmetalls bewirkt. Die aus einem oder mehreren Metallen oder zusätzlich auch noch Kunststoff bestehenden Verbundwerkstoffe zeichnen sich durch hohe Festigkeit aus, die die Festigkeit des Tränkmaterials um bis über den Faktor 2 übersteigt. Sie können als Konstruktionsteile, als Teile für mechanische Kraftübertragung, abriebfeste Teile usw. verwendet werden.
• Das Verfahren gemäß der Erfindung soll an Hand der nachfolgenden Beispiele noch näher erläutert werden.
• Beispiel 1 Fäden aus Polyäthylen vom Durchmesser 60 um wurden mit Hilfe einer bekannten Lösung von Natriumhypophosphit chemisch vernickelt; die Nickelschichtdicke betrug etwa 2 um. Durch galvanische Vernickelung wurde die Nickelschichtdicke um 10 um verstärkt. Der metallisierte Kunststoffaden wurde in 0,8 bis 1 mm lange Stücke geschnitten. Das Material wurde in einer Stahlmatrize mit 3 Mp/cm2 gepreßt. Der Preßkörper wurde an Luft 30 Minuten bei 600° C und danach in Wasserstoff-Atmosphäre während 60 Minuten bei 900° C gesintert. Nach dem Abkühlen wurde der Gerüstkörper in einer evakuierbaren Stahlform mit Kunststoff getränkt. Die erwärmte Preßform wurde mit dem Gerüst und der zur Tränkung benötigten Polyäthylenmenge bestückt und der Kunststoff zwischen zwei Stahlstempeln in den Gerüstkörper eingepreßt. Die Festigkeit des äußerlich wie ein Kunststoff aussehenden Verbundkörpers ist mit 5 kp/mm2 um den Faktor 2,5 größer als die Zugfestigkeit des Polyäthylens.
• Beispiel 2 Der Kunststoffaden wurde wie in Beispiel 1 chemisch vernickelt. Auf die etwa 2 um dicke Nickelschicht wurde eine 8 um dicke Eisenschicht galvanisch aufgebracht. Die auf eine Länge von 0,8 bis 1 mm geschnittenen Fadenstücke wurden mit 6 Mp/cm2 in einer Stahlpreßform verdichtet. Die Kunststoffäden wurden auf die oben beschriebene Weise entfernt. Die Sinterung des Preßkörpers erfolgte zunächst während 30 Minuten bei 600° C in Wasserstoff und danach während 60 Minuten bei 1200° C in Wasserstoff. Der Sinterkörper wurde mit der zur Porenfüllung ausreichenden Kupfermenge während 10 Minuten bei 1150° C in Wasserstoff-Atmosphäre getränkt. Es entstand ein Verbundwerkstoff mit guter elektrischer Leitfähigkeit und höherer Festigkeit als sie reines Kupfer hat.

Claims (6)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Herstellen von Verbundwerkstoff, welcher neben verdichteten und gesinterten, höher schmelzenden Metallteilchen eine niedriger schmelzende, in das poröse Metall eingedrungene Komponente enthält, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Poren eines an sich bekannten Sinterkörpers, der durch Pressen und Sintern aus durch Metallbeschichten von Kunststoffäden gebildeten Metallröhrchen besteht, mit einer niedriger als die Metallröhrchen schmelzenden Komponente imprägniert werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sinterkörper aus solchen Metallröhrchen verwendet wird, welche durch stromloses Abscheiden eines Metalls auf Kunst- stoffäden und nachfolgende galvanische Abscheidung von weiterem Metall erhalten worden sind.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sinterkörper verwendet wird, der aus nach dem Pressen mit einer Metallsalzlösung getränkten Metallröhrchen besteht, die nachfolgend in reduzierender Atmosphäre gesintert sind.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sinterkörper aus solchen Metallröhrchen verwendet wird, deren Kunststofffäden entfernt worden sind.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als niedriger schmelzende Komponente Metall bzw. eine Metallegierung verwendet wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als niedriger schmelzende Komponente ein Kunststoff verwendet wird.