DE19651197A1

DE19651197A1 - Werkstoff zum Herstellen poröser Metallkörper

Info

Publication number: DE19651197A1
Application number: DE19651197A
Authority: DE
Inventors: Susan Dietzschold; Dirk Dr Ing Dietzschold
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-12-15
Filing date: 1996-12-10
Publication date: 1997-06-19
Anticipated expiration: 2016-12-11
Also published as: DE19651197C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Werkstoff zum Herstellen poröser Metallkörper.

Beim bekannten Herstellen poröser Metallkörper (US-PS 3087807, DE-PS 40 18 360, DE-PS 41 01 630) werden zunächst Mischungen aus einem Metallpulver und einem Treibmittel pulver hergestellt. Diese Mischungen werden dann durch Heißkompaktieren unter hohem Druck zu Halbzeugen vor geformt. Beim späteren Erhitzen bis oberhalb der Zerset zungstemperatur des Treibmittels erfolgt das Aufschäu men des vorgeformten Halbzeuges zum gewünschten porösen Metallkörper. Nachteilig sind das aufwendige Vorformen von Halbzeugen entsprechend der Gestalt der porösen Metallkörper sowie die damit begrenzte Verwendung der kompaktierten Halbzeuge.

Aufgabe der Erfindung ist das Schaffen eines Werk stoffes, mit dem poröse Metallkörper beliebiger Form ohne formbedingte Vorarbeiten hergestellt werden können, sowie das Herstellen und Verwenden dieses Werkstoffes.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß der Werk stoff aus konfektionierten Anteilen von zumindest einem Metall und wenigstens einem Treibmittel besteht, wobei das Treibmittel partikelartig verteilt im Werkstoff gasdicht eingeschlossen ist. Vorzugsweise Ausbildungen, Herstellungsverfahren und Verwendungen des erfundenen Werkstoffes sind in Patentansprüchen angegeben.

Die Erfindung ist an Hand dargestellter und beschriebe ner Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen

Fig. 1 das Korn eines pulverartigen Werkstoffes,

Fig. 2 einen schlauchartigen Werkstoff,

Fig. 3 einen Werkstoff als Polymerdraht im Schnitt,

Fig. 4 einen mehrschichtigen Werkstoff,

Fig. 5 einen weiteren Schichtwerkstoff

Fig. 6 eine Ausführung mit poriger Basisschicht und

Fig. 7 einen gerollten Werkstoff.

Einer ersten Ausführung zufolge wird ein pulverförmiger Werkstoff aus Körnern gemäß Fig. 1 gebildet. Dieses Korn besteht aus einem Kern 1 und einer den Kern 1 einschlie ßenden Hülse 2. Im Kern ist ein Treibmittel abgelagert, das bei seiner Zersetzungstemperatur zur Gasbildung ver anlaßt wird. Die Hülse 2 wird von dem Material gebildet, aus dem der gewünschte poröse Metallkörper bestehen soll.

Denkbar ist auch eine Hülse 2 aus einem Material, das mit dem des herzustellenden Metallkörpers nicht identisch ist. Die Hülse 2 kann deshalb aus einem metallischen oder nichtmetallischen Stoff, z. B. Keramik bzw. einem Kunst stoff, bestehen. Bei dieser Beschaffenheit der Hülse wird das für den herzustellenden porösen Metallkörper ge wünschte Metallmaterial zusammen mit einem Treibmittel im Kern 1 eingeschlossen.

Bei einer schlauchartigen Ausbildung des Werkstoffes gemäß Fig. 2 besteht die Hülse 3 aus einem Kunststoff. Die Hülse 3 könnte auch aus einem anderen nichtmetalli schen oder metallischen Material gebildet sein. Im Kern 4, der von der Hülse 3 umschlossen wird, befindet sich eine Mischung aus zumindest einem Metallpulver 5 und einem Treibmittelpulver 6.

Vorteilhaft kann die schlauchartige Hülse 3 bereits aus dem Material des herzustellenden porösen Metallkörpers bestehen. In diesem Falle können die Metallanteile im Kern 4 um die Anteile des Körpermetalls reduziert werden.

Sowohl im Kern 1 des Korns gemäß Fig. 1 als auch im Kern 4 der schlauchartigen Hülse 3 gemäß Fig. 2 können zusätz lich Pigmente, Füllstoffe und/oder Verstärkungsteilchen eingelagert sein.

Der konfektionierte Werkstoff ist vor allem als Spritz werkstoff zum Herstellen von porösen Metallkörpern ver wendbar, weil deren Gestalt von der Form des Werkstoffes unabhängig ist.

Beim Durchlaufen der Wärmequelle eines thermischen Spritzgerätes geht der Metallanteil des Werkstoffes in teigigen bzw. schmelzflüssigen Zustand über. Das Treib mittel behält zunächst nahezu seine Zusammensetzung und Struktur. Während die metallische Matrixkomponente beim thermischen Spritzen durch den direkten Kontakt mit dem Wärmespender schmilzt, wird das Treibmittel im Kern des Werkstoffes thermisch geringer beansprucht und nicht zur Gasbildung veranlaßt.

Beim Auftreffen auf die Oberfläche einer Form oder eines Substrats, welches vorgewärmt sein kann, lagern sich die verspritzten Werkstoffteilchen lamellenförmig schicht weise aufeinander ab, wobei vor allem geringer Spritz abstand zum Abplatten der teigigen bzw. schmelzflüssigen Matrixmetallteilchen beim Schleudern auf die jeweilige Oberfläche führt und die Treibmittel dicht eingeschlossen werden. Weitere treibmittelfreie duktile Spritzschichten können die treibmittelhaltige Spritzschicht abdecken. Bei nachfolgender Erhitzung ist mit der Gasbildung des Treib mittels die Gasporenbildung im teigigen bzw. schmelz flüssigen Metall verbunden.

Als vorteilhaft wurde das Vorspritzen mit besonders gut haftenden, exotherm reagierenden und die Oberflächen partiell anschmelzenden Spritzwerkstoffen wie NiAl, NiCr, Mo, NiCrBSi-Legierung oder hochlegierten Eisenwerkstoffen gefunden. Das Herstellen von verschleißfesten leichten Maschinenelementen, z. B. Wellen, ist durch thermisches Spritzen des erfindungsgemäßen Werkstoffes in eine hohl zylindrische Form möglich, die nach dem Aufschäumen ent fernt und mit WC beschichtet wird.

Der entwickelte Werkstoff kann durch thermisches Spritzen auch als poröse Schicht auf die Innenseiten der Beplan kung von Fahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen zwecks Ver steifung, Schwingungsdämpfung, Schallisolierung und/oder Wärmedämmung aufgetragen werden. Gleichfalls ist die Spritzbeschichtung von brennbaren Baustoffen zum Brand-Brandschutz oder von Wärmetauscherflächen möglich.

Festigkeitssteigerung der porösen Metallkörper kann durch Zugabe von Verstärkungskomponenten in Form von Fasern oder Partikeln aus geeigneten Materialien, z. B. Keramik, erreicht werden. Diese Verstärkungskomponenten werden der Kernfüllung der Werkstoffe beigemischt. Dabei sollten insbesondere das Matrixmetall und die Aufschäumparameter so gewählt werden, daß ein gutes Benetzen der Verstär kungskomponenten durch das Matrixmetall erfolgt.

Zum verbesserten Aufschmelzen der metallischen Pulverkom ponente sind ferner schlauchartige Hülsen aus feinmaschi gem Material in Form von Maschendraht oder Polymerfaser schlauch verwendbar. In diesem Sinne sind Schläuche ein setzbar, deren Mantel sieb- oder netzartig mit Öffnungen versehen bzw. perforiert sind. Die schlauchartigen Hülsen können sowohl nahtlos hergestellt oder mit gefalzten Nähten versehen sein.

Im Kern der korn- oder schlauchartigen Hülsen können die unterschiedlichen Materialkomponenten auch als Agglomera te eingelagert sein. Dabei sind z. B. Metallteilchen und Treibmittelteilchen durch geeigneten Kleber miteinander verbunden. Der Kleber verdampft beim Durchlaufen der Wärmequelle des Spritzgerätes. Zu empfehlen ist ein agglomeriertes Pulver aus Metall, Treibmittel, Füllstoff und Verstärkungskomponenten, wobei das Matrixmetall aus einem exotherm reagierenden Material besteht, vorzugs weise NiAl mit 82% Nickelmasse und 18% Aluminiummasse oder TiNi mit 40% Titanmasse und 60% Nickelmasse.

Einer weiterhin vorteilhaften Ausführung zufolge (Fig. 3) sind agglomerierte Metallteilchen 8 und Treibmittelteil chen 9 in einem Kunststoffdraht 7 eingebettet. Dieser Kunststoffdraht übernimmt die Funktion einer schlauch artigen Hülse. Im Kunststoffdraht 7 sowie in einer schlauchartigen Hülse 3 können auch Körner gemäß Fig. 1 eingelagert sein.

Die Erfindung ist in zahlreichen Varianten realisierbar.

Einer schematisch dargestellten weiteren Ausführung zu folge (Fig. 4) besteht der aufschäumbare und damit zum Herstellen poröser Metallkörper geeignete Werkstoff aus einer Basisschicht 11, die von einem metallischen Basissubstrat gebildet wird. Durch Prägen oder anderes Verformen sind in die Oberfläche der Basisschicht 11 in Abstand voneinander mehrere Mulden 14 eingearbeitet, die zumindest zum Teil mit Treibpartikeln 13 gefüllt sind.

Die Treibpartikel 13 sind Elemente eines Treibmittels, welches bei Erreichen seiner Zersetzungstemperatur zur Gasbildung veranlaßt wird. Auf der mit den Mulden 14 versehenen Oberfläche der Basisschicht 11 ist diese mit der Deckschicht 12 derart verbunden, daß die Treibparti kel 13 gasdicht zwischen der Basisschicht 11 und der Deckschicht 12 eingeschlossen sind. Die Deckschicht 12 besteht ebenfalls aus einem metallischen Substrat. Beispielsweise sind das Basissubstrat und das Decksub strat aus gleichem Material hergestellt, besitzen also gleiche metallische Eigenschaft.

Dosierung und Verteilung der Treibpartikel 13 sind in solchem Umfang vorgenommen worden, wie es zum Aufschäu men des metallischen Basis- und Decksubstrats erforder lich ist. Die Deckschicht 12 ist mit der Basisschicht vorzugsweise durch elektrisches Schweißen außerhalb der Treibpartikel 13 verschmolzen. Das Verbinden der Deck schicht 12 mit der Basisschicht 11 ist ferner durch mechanische Verklammerung, Verklebung oder auf andere gasdichte Weise denkbar.

Der platten- oder bandförmig hergestellte Werkstoff kann erforderlichenfalls stückweise in Formen oder frei in bekannter Weise aufgeschäumt werden, indem der Werk stoff bis oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treib mittels erhitzt wird.

Bei einer weiteren Ausführung (vergl. Fig. 4) sind zwischen der Basisschicht 11 und der Deckschicht 12 dosiert verteilte und in Mulden 14 gelagerte Treibpar tikel 13 gasdicht eingeschlossen. Auf der von der Basis schicht 11 abgewendeten Seite ist die Deckschicht 12 ebenfalls mit Mulden 14′ versehen, die zumindest teilweise mit Treibpartikeln 13′ gefüllt sind. Eine weitere Deckschicht 12′ ist mit der ersten Deckschicht 12 derart verbunden, daß auch die Treibpartikel 13′ zwischen der Deckschicht 12′ und der Deckschicht 12 gas dicht eingeschlossen sind.

Diese mehrschichtige Ausführung ist vor allem zum Her stellen entsprechend dicker poröser Metallkörper geeig net.

Das Herstellen eines erfindungsgemäßen Werkstoffes erfolgt vorteilhaft dadurch, daß zunächst eine Basis schicht 11 hergestellt wird, danach eine Oberfläche der Basisschicht 11 mit einer aus dosiert verteilten Treib partikeln 3 bestehenden Treibmittelschicht belegt wird und schließlich die von der Basisschicht 11 abgewandte Seite der Treibmittelschicht vorzugsweise durch thermi sches Metallspritzen mit einer Deckschicht 12 versiegelt wird. Um das dosierte Verteilen der Treibpartikel 13 auf der Basisschicht 11 zu erleichtern, kann die Treibmittel schicht unter Verwendung einer Polymerfolie hergestellt werden. Diese Polymerfolie ist als Träger für dosiert verteilte Treibpartikel ausgebildet und wird zwischen der Basisschicht 11 und der Deckschicht 12 angeordnet. Beim Spritzen der metallischen Deckschicht 12 oder deren Verschweißen mit der Basisschicht 11 verdampft die Poly merfolie und beläßt die Treibpartikel 13 an ihren vorbe stimmten Orten.

Gemäß einem weiteren Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Werkstoffes (vergl. Fig. 6) wird zunächst eine porige Basisschicht 21, vorzugsweise durch thermisches Spritzen angefertigt, danach werden die Poren 24 der metallischen Basisschicht 21 zumindest teilweise mit Treibpartikeln 23 gefüllt und schließlich wird die Basisschicht 21 mit einer vorzugsweise aber mals durch thermisches Spritzen hergestellten Deck schicht 22 gasdicht versiegelt. Bei diesem Verfahren wird die arttypische Porigkeit der Basisschicht 21 un mittelbar zum dosierten Verteilen der Treibpartikel 23 benutzt.

Das dosierte Verteilen der Treibpartikel 23 auf einer Basisschicht 11 kann vorteilhaft unter Verwendung einer Lochmaske erleichtert werden. Diese Lochmaske wird vorübergehend auf die Basisschicht 11 gelegt, und deren Löcher werden mit Treibpartikeln 13 ausgefüllt.

Das gasdichte Einschließen der Treibpartikel 13 kann ferner durch Wickeln lediglich einer Basisschicht 11 gemäß Fig. 4 erreicht werden, wonach die Treibpartikel 13 zwischen den spiralförmigen Wickeln der Basisschicht 11 eingebettet sind (vergl. Fig. 7).

Werkstoffe dieser Art sind in zahlreichen Ausführungs varianten denkbar. Wesentlich ist, daß die zum Aufschäu men dienenden Treibmittel gasdicht im konfektionierten Werkstoff eingeschlossen sind. Der erfindungsgemäße Werkstoff kann beispielsweise als Flachmaterial oder stangenförmig zur weiteren Verwendung angeboten werden und durch nachträgliches Formen beliebiges Profil er halten.

Claims

1. Werkstoff zum Herstellen poröser Metallkörper, gekennzeichnet dadurch, daß der Werkstoff aus konfektionierten Anteilen von zumindest einem Metall und wenigstens einem Treibmittel besteht, wobei das Treibmittel (1; 6; 9; 13; 13′; 23) partikelartig verteilt im Werkstoff gasdicht einge schlossen ist.

2. Werkstoff nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Werkstoff aus hülsenartig konfektionierten Anteilen von zumindest einem Metall und wenigstens einem Treibmittel besteht.

3. Werkstoff nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Werkstoff pulverartig aus Körnern besteht, wobei jedes Korn einen wenigstens das Treibmittel enthaltenden Kern (1) aufweist, der in einer metalli schen Hülse (2) eingeschlossen ist.

4. Werkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff pulverartig aus Körnern besteht, wobei jedes Korn einen wenigstens ein Metall und minde stens ein Treibmittel enthaltenden Kern aufweist, der in einer nichtmetallischen Hülse, vorzugsweise einer Kunststoff-Hülse eingeschlossen ist.

5. Werkstoff nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Werkstoff aus einer metallischen Hülse besteht, die schlauchartig ausgebildet ist und zumindest mit einem Treibmittel gefüllt ist.

6. Werkstoff nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Werkstoff aus einer nichtmetallischen, vorzugs weise einer Kunststoff-Hülse (3) besteht, die rohr- oder schlauchartig ausgebildet ist und im Kern (4) zumindest ein Metall sowie ein Treibmittel enthält.

7. Werkstoff nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß in der Hülse (2; 3) zusätzlich Füllstoffe, Pig mente und/oder Verstärkungsteilchen eingeschlossen sind.

8. Verwendung des Werkstoffes nach einem der vorherge henden Ansprüche 2 bis 7, wobei der Werkstoff durch thermisches Spritzen auf eine Ober fläche aufgetragen und die auf der Oberfläche entstan dene Spritzschicht erhitzt sowie nach ihrem Aufschäumen abgekühlt wird.

9. Verwendung nach Anspruch 8, wobei die Spritzschicht nach ihrem Auftragen auf die Ober fläche bis oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels, vorzugsweise im Bereich der Schmelztempe ratur des Metalls, erhitzt wird.

10. Verwendung nach Anspruch 8, wobei der Werkstoff beim thermischen Spritzen bis oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels, vorzugs weise im Bereich der Schmelztemperatur des Metalls, erhitzt wird.

11. Verwendung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Oberfläche durch die mit einem Trennmittel ver sehene Kontur einer Spritzform gebildet wird.

12. Verwendung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Oberfläche durch die rauhe Struktur eines Verbund körpers gebildet wird, so daß ein Verbundwerkstoff ent steht.

13. Verwendung nach Anspruch 12, wobei die Oberfläche durch die Struktur metallischer und/oder nichtmetallischer Fasern gebildet wird.

14. Werkstoff nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Werkstoff eine aus einem Basissubstrat beste hende Basisschicht (11; 21) und eine aus einem Deck substrat gebildete Deckschicht (12; 22) aufweist sowie zwischen besagter Basisschicht (11; 22) und genannter Deckschicht (12; 22) eine aus dosiert verteilten Treib partikeln (13; 23) bestehende Treibmittelschicht vor gesehen ist, wobei besagte Basisschicht (11; 21) und genannte Deckschicht (12; 22) an ihren einander zuge wandten Oberflächen miteinander verbunden sind und die Treibpartikel (13; 23) gasdicht einschließen.

15. Werkstoff nach Anspruch 14, gekennzeichnet dadurch, daß das Basissubstrat und das Decksubstrat gleiche metallische Eigenschaft besitzen.

16. Werkstoff nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet dadurch, daß die Basisschicht (11; 21) und die Deckschicht (12; 22) außerhalb der Treibpartikel (13; 23) miteinander verschmolzen sind.

17. Werkstoff nach einem der Ansprüche 14 bis 16, gekennzeichnet dadurch, daß wenigstens eine der Basisschicht (11) oder der Deckschicht (12) mit Mulden (14) zum Aufnehmen von Treibpartikeln (13) versehen ist.

18. Werkstoff nach einem der Ansprüche 14 bis 17, gekennzeichnet dadurch, daß die Deckschicht (12) auf ihrer von der Basis schicht (11) abgewandten Seite mit einer weiteren Deck schicht (12′) verbunden und zwischen besagten Deck schichten (12 und 12′) eine weitere aus dosiert ver teilten Treibpartikeln (13′) bestehende Treibmittel schicht gasdicht eingeschlossen ist.

19. Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffes gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 18, gekennzeichnet dadurch, daß

a) zunächst eine Basisschicht (11) hergestellt wird,
b) danach eine Oberfläche der Basisschicht (11) mit einer aus dosiert verteilten Treibpartikeln (13) be stehenden Treibmittelschicht belegt wird und
c) letztlich die von der Basisschicht (11) abgewandte Seite der Treibmittelschicht vorzugsweise durch thermi sches Spritzen mit einer Deckschicht (12) gasdicht versiegelt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, gekennzeichnet dadurch, daß die Oberfläche der Basisschicht (11) mit einer Treibmittelschicht unter Verwendung einer Polymerfolie belegt wird, welche als Träger für dosiert verteilte Treibpartikel (13) ausgebildet ist.

21. Verfahren zum Herstellen eines Werkstoff es gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, gekennzeichnet dadurch, daß

a) zunächst eine porige Basisschicht (21), vorzugs weise durch thermisches Spritzen, hergestellt wird,
b) danach die Poren (24) der Basisschicht (21) zumindest teilweise mit Treibpartikeln (23) gefüllt werden und
c) letztlich die Basisschicht (21) mit einer vorzugs weise abermals durch thermisches Spritzen hergestellten Deckschicht (22) gasdicht versiegelt wird.