DE1941494B2

DE1941494B2 - Dreidimensionale zellulare Metall-Struktur aus einer Legierung und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1941494B2
Application number: DE19691941494
Authority: DE
Inventors: Roy Sutton Coldfield Warwickshire Jervis (Ver. Koenigreich)
Original assignee: Dunlop Ltd
Current assignee: Dunlop Ltd
Priority date: 1968-08-14
Filing date: 1969-08-14
Publication date: 1980-11-06
Also published as: BE737455A; DE1941494C3; JPS5250737B1; FR2030224A1; NL6912370A; ES370478A1; GB1263704A; DE1941494A1; SE365251B

Description

Die Erfindung betrifft den Gegenstand der Ansprüche.

Aus der US-PS 26 94 743 war bereits die Herstellung « von zellularen Strukturen durch galvanisches Abscheiden von Metall auf Kunststoffschaum bekannt.

Außerdem waren z. B. aus Machu »Metallische Überzüge«, 1948, Seiten 90 bis 99, mehrere Verfahren zur Legierungsbildung bekannt. ^b0

In der US-PS 26 94 743 wird nur ein Polystyrolschaum als Grundlage benutzt, weiterhin wird nicht retikuliert und auch das Kunststoffsubstrat nicht entfernt. Ein solches Material wäre nicht fähig, bei der weiteren Legierung die Vorteile der Erfindung zu ^ ergeben. Gemäß den in Machu beschriebenen Verfahren erfolgt nur die Aufbringung einer weiteren Metallschicht, aber nicht eine Durch-und-durch-Legie rung der gesamten Metallstruktur.

Demgegenüber bestand nun die Aufgabe der Erfindung darin, durch Ausbildung von Hohlräumen in den Streben und einer Säulenstruktur in dem elektroplattierten Gerüst, die Diffusion durch und durch zu begünstigen, um σο eine vollständig durchlegierte zellulare Metallstruktur zu erhalten.

Dies ist nur möglich, wenn erfindungsgemäß ein retikulierter Kunstsloffschaum elektroplattiert und das Kunststoffsubstrat nach der Elektroplattierung entfernt wird. Durch ein Diffundieren der Legierungskon.ponente in der Gasphase ist es dann möglich, eine vollständige Legierung, nicht nur eine oberflächliche, zu erzielen.

Die Legierungskomponente ist ein Stoff, der mit der zellularen Eisenstruktur eine Legierung bilden kann. Die Legierungskomponente kann ein Metall der Gruppen II, HI, IV, VI oder VIII des Periodischen Systems der Elemente nach Mendelejeff, insbesondere der Perioden 2, 3, 4 und 5 in diesen Gruppen, sein oder sie kann Kohlenstoff, Silicium oder Stickstoff sein. Beispiele für Metalle, die mit dem Eisengefüge legiert werden können, sind Beryllium, Zink und Cadmin, Bor und Aluminium, Titan, Zirkonium und Zinn, Chrom, Molybdän und Wolfram und Kobalt und Nickel.

Bevorzugte Legierungskomponenten sind Kohlenstoff, Stickstoff, Silicium, Chrom, Aluminium, Molybdän, Zinn, Zink und Titan. Außer der (den) Hauptlegierungskomponente(n) können weitere Elemente in verhältnismäßig kleineren Mengen eingeführt werden.

Das poröse Gefüge ist ein solches in der Form eines dreidimensionalen Netzwerk-Grundgerüstes, das eine Vielzahl von zellularen Hohlräumen gegeneinander abgrenzt, die untereinander in Verbindung stehen.

Das leitfähige poröse Substrat kann ein poröses Kunststoffmaterial sein, das eigenleitfähig gemacht oder durch eine Oberflächenbehandlung leitfähig gemacht worden ist. Das poröse Kunststoffmaterial ist vorzugsweise ein retikulierter Polyurethanschaum.

Der Kunststoffschaum wird beispielsweise durch Erhitzen bis zum Schmelzen oder »Ausäschern« des Materials entfernt.

Der Schaum ist ein retikulierter Schaum, d. h. ein Schaum, in dem die organische Phase ein dreidimensionales Netzwerk darstellt, in dem keine wesentlichen Wandteile die Zellen voneinander abgrenzen. Diese retikulierten Schäume können hergestellt werden, indem man die verhältnismäßig dünnen Zellwände aus einem Schaum, beispielsweise durch chemische Mittel, wie z. B. wäßrigem Natriumhydroxid im Falle der Polyurethanschäume, entfernt.

Wenn das Metall darauf elektrolytisch abgelagert werden soll, ist es natürlich erforderlich, entweder ein elektrisch leitendes poröses Material zu verwenden oder das Material mit Hilfe einer leitfähigen Oberflächenschicht leitfähig zu machen. Nicht-leitfähige Materialien können mit Hilfe eines Zusatzes, beispielsweise Graphit oder gepulvertem Metall, selbst-leitfähig gemacht werden. Eine leitfähige Oberflächenschicht kann aufgebracht werden, indem man das Material mit einem härtbaren Harzmaterial beschichtet, in das man einen leitfähigen Zusatz einarbeitet, oder indem man chemisch ein Metall darauf ablagert, beispielsweise durch in-situ-Reduktion von ammoniakalischem Silbernitrat. Wenn die chemische Ablagerung angewendet wird, sollte die Oberfläche im allgemeinen mit einem ode/ mehreren Sensibilisierungsmitteln für Silber, beispielsweise Zinndichlorid und anschließend Palladiumchlorid behandelt werden.

Die Legierungsstruktur des ersten Metalls können in einigen Fällen durch direktes Plattieren hergestellt werden und in anderen Fällen können nacheinander zwei oder mehrere Metalle abgelagert und die Legierung durch Erhitzen des erhaltenen Gefüges ~> gebildet werden. Es können Stahlschäume hergestellt werden, indem man die erforderlichen Mengen an Kohlenstoff und/oder Stickstoff einarbeitet Der Kohlenstoff kann aus organischem Material, das den Grundschaum bildet, stammen oder er kann zu einem u> Elektroplattierungsbad zugesetzt werden. Derartige Legierungsgefüge werden anschließend nach dem erfindungsgemäßen Verfahren weiter legiert

Die Legierung des elektroplattierten Gefüges in der Gasphase kann durchgeführt werden, indem man i¹» letzteres in Berührung mit einer gepulverten Legierungskomponente oder einer Verbindung davon vorzugsweise in einer reduzierenden Atmosphäre auf eine erhöhte Temperatur erhitzt. Gewünschtenfalls kann das gepulverte Metall oder die Verbindung in Verbindung mit einem Verdünnungsmittel, beispielsweise einem feuerfesten Pulver, verwendet werden.

Das Legieren kann in Gegenwart einer Trägerverbindung, vorzugsweise einem Halogenid, beispielsweise einem Chlorid, durchgeführt werden. Diese kann bis zu -'"> JOGew.-%, vorzugsweise bis zu 5Gew.-%, der Legierungsmischung ausmachen. Die Trägerverbindung kann über die Legierungskomponente oder eine Verbindung davon geleitet werden, während sie mit dem zu legierenden Gefüge in Berührung ist, oder sie J" kann in situ gebildet werden.

Die Metallstruktur kann dem Gas ausgesetzt werden, das durch Erhitzen einer Mischung aus der Legierungskomponente in gepulverter Form, beispielsweise gepulvertem Chrom, einem Füllstoff, beispielsweise Kaolin, >' Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid, und einem Halogenid, beispielsweise Ammoniumfluorid, gebildet wird. Die Struktur wird in einer Wasserstoffatmosphäre auf eine erhöhte Temperatur, beispielsweise 1100° C, erhitzt. ■"'

Bei einigen Anwendungen, beispielsweise bei korrosionsbeständigen Strukturen ist es erwünscht, daß über der Strebenstruktur eine praktisch konstante Zusammensetzung erzielt wird. Dies kann durch geeignete Auswahl der Legierungskomponente und der Behänd- ⁴^ lungsbedingungen erreicht werden.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern.

Beispiel! ₅„

Ein retikulierter Polyurethanschaum mit einer Porosität von 10 Poren/2,54 cm wurde mit Hilfe von ammoniakalischem Silbernitrat leitfähig gemacht und in einem Elektroplattierungsbad mit Eisen plattiert. Die eleklroplattierte Struktur wurde in einem langsamen ^r>^r> Luftstrom, der das ursprüngliche Polyurethansubstrat herausbrannte, auf eine Temperatur von 650°C erhitzt und das Gefüge wurde dann geglättet und geglüht, indem man es in einem reduzierenden Ofen bei 1050° C erhitzte. ·><>

Es wurden zwei derartige Proben hergestellt, eine davon wurde karburiert und ergab einen Kohlenstoffgehalt von 1%.

Die erhaltenen Strukturen wurden jeweils in eine offene Stahltrommel mit einer Chromierungsverbin- ^br> dung gepackt und die Trommel in einen Ofen gebracht, der 3 Stdn. lang mit Argon durchspült wurde bis die Verfahrenstemperatur von 1050° C erreicht war. Nach dieser Zeit wurde die Argonzufuhr in den Ofen eingeleitet Diese Behandlung wurde 6 Stdn. lang fortgesetzt, danach wurden die Trommeln langsam in einer Argonatmosphäre abgekühlt Die Gesamtzeit für den Verfahrenszyklus betrug 24 Stdn.

Die Chromierungsverbindung bestand aus 40% feinem Chrompulver, 0,2% Ammoniumbromid, 0,02% Chromchlorid und dem Rest Kaolinpulver.

Die erhaltenen Strukturen wurden durch eine Elektronensondemikroanalyse des Querschnitts der Wände analysiert Im Falle der karburierten Strukturen lag eins gleichmäßige Verteilung des Chroms über die Wand vor, die zwischen 30 und 33% Chrom variierte, die nicht karburierte Struktur hatte jedoch eine viel ungleichmäßigere Verteilung, was daraus hervorging, daß in der Oberfläche einer Wand eine hohe Chromkonzentration, in der Nähe des Zentrums einer Wand jedoch eine verhältnismäßig geringe Chromkonzentration gefunden wurde.

Beispiel 2

Eine wie in Beispiel 1 hergestellte poröse Eisenstruktur wurde mit Chrom(II)chlond, das durch Umsetzung von Wasserstoff und Chlorwasserstoff mit Chrom hergestellt wurde, in Berührung gebracht. Es wird angenommen, daß das Chrom(ll)chlorid als aktiver Chromträger wirkt, der an der Metalloberfläche freies Chrom freisetzt, das nach innen in das Eisen diffundiert unter Bildung eines Legierungsgefüges. Es wurde gefunden, daß die Struktur 10 bis 30% Chrom enthielt.

Beispiel 3

Eine wie in Beispiel 1 hergestellte poröse Eisenstruktur wurde mit einer Mischung aus gepulvertem Aluminium, Aluminiumoxid und Aluminiumchlorid in eine luftdicht verschlossene Box gebracht und 12 Stdn. lang auf eine Temperatur von 900° C erhitzt Dabei wurde eine Aluminium-Eisen-Legierüiigsstruktur erhalten.

Beispiel 4

Eine wie in Beispiel 1 hergestellte poröse Eisenstruktur wurde mit einer Mischung aus Siliciumcarbid und Chlor 2 Stdn. lang in einer geschlossenen Box auf eine Temperatur von 950°C erhitzt. Die erhaltene Struktur enthielt ein siliciertes Eisen, das etwa 14% Silicium enthielt.

Beispiel 5

Eine wie in Beispiel 1 hergestellte poröse Eisenstruktur wurde im Kontakt mit Zinkpulver 3 Stdn. lang in einem geschlossenen Behälter bei einer Temperatur von 370°C erhitzt. Dabei wurde eine Zink-Eisen-Legierungsstruktur erhalten.

Die erfindungsgemäßen Legierungsgefüge sind bei einer großen Anzahl verschiedener Anwendungen verwendbar, insbesondere aufgrund der Tatsache, daß die Legierung so angepaßt werden kann, daß sie den gewünschten Zweck erfüllt. So können ausgewählte Legierungsgefüge übliche poröse Gefüge in der Verwendung beispielsweise als Filter, flüssigkeitsdurchlässige Hüllen, Elektroden, Wärmeaustauscher, Katalysatorträger, Luftlager, Isolatoren und Konstruktionsteile ersetzen.

Claims

Patentansprüche:

1. Dreidimensionale zellulare Metallstruktur aus einer Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie hergestellt ist, indem zuerst Eisen auf einem leitfähigen zellularen, retikulierten Kunststoffschaum elektroplattiert, das Kunststoffsubstrat durch thermische Zersetzung entfernt und mit mindestens einer Legierungskomponente oder einer Vorstufe davon bei erhöhter Temperatur in der Gasphase kontaktiert und eindiffundiert wird.

2. Verfahren zum Herstellen einer dreidimensionalen zellularen Metallstruktur aus einer Legierung, wobei zuerst Eisen auf einem leitfähigen zellularen Substrat aus Kunststoff elektroplattiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein retikulierter Kunststoffschaum elektroplattiert, das Kunststoffsubstrat durch thermische Zersetzung entfernt und mit mindestens einer Legierungskomponente oder einer Vorstufe davon be; erhöhter Temperatur in der Gasphase kontaktiert und eindiffundiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Legierungskomponente Chrom, Aluminium, Molybdän, Zink, Zinn oder Titan verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß als leitfähiges zellulares Kunststoffmaterial ein retikulierter Polyurethanschaum verwendet wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Legieren durchgeführt wird, indem man die elektroplattiertc Struktur mit einer gepulverten Legierungskomponeine oder einer Verbindung davon in Berührung bringt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektroplattierte Struktur in einer reduzierenden Atmosphäre damit kontaktiert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halogenid verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Halogenid ein Chlorid verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektroplattierte Struktur mit einem Gas in Berührung gebracht wird, das durch Erhitzen einer Mischung der Legierungskomponente mit einem Halogenid gebildet wird.

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