DE19758454A1 - Dünne, feinporige Metallschicht - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Metallschicht mit offener Porosität.

Bekannt sind aus Gewebe und Vlies bestehende poröse Me­ tallschichten der eingangs genannten Art, die insbeson­ dere als Filter eingesetzt werden.

Bei Filtern sind kleine Schichtdicken anzustreben, um unerwünschte Strömungswiderstände zu minimieren. Es gibt ca. 100 µm dünne, aus Gewebe bestehende metalli­ sche Filter, die dann allerdings nachteilhaft verhält­ nismäßig große Poren aufweisen. Auch müssen zur Her­ stellung entsprechend dünne und daher teure Drähte ver­ wendet werden. Die hieraus hergestellten Gewebe sind folglich ebenfalls entsprechend teuer.

Wird ein metallisches Vlies eingesetzt, so können zwar kleine Porengrößen im Mikrometerbereich erzielt werden. Dann beträgt die Vliesdicke jedoch wenigstens einen halben Millimeter. Die Schichtdicken der vorgenannten Vliese können ferner nicht sehr genau gefertigt werden. Verhältnismäßig große Toleranzen müssen hingenommen werden -

Aus der Druckschrift DE-AS 11 49 972 ist eine als durchlässige Membran bezeichnete Nickelschicht mit offener Porosität bekannt. Die Membran weist eine Schichtdicke von zum Beispiel 250 µm und einen Radius der vorhandenen Poren zwischen 0,06 und 2,2 µm auf.

In der Druckschrift DE-AS 20 05 571 wird ein Verfahren zur Herstellung von einer als poröse Membran bezeichneten Metallschicht mit offener Porosität beschrieben. Eine Suspension, die Nickel- und Chrom­ pulver aufweist, wird zu einem Körper, so zum Beispiel zu einer Platte gepreßt, getrocknet und anschließend gesintert. Die Dicke einer so hergestellten Platte kann 100 bis 1000 µm und der Pulverdurchmesser des Metallpulvers 1 bis 10 µm betragen.

Aus der Druckschrift "SCHATT, Werner: Pulvermetallurgie Sinter- und Verbundwerkstoffe, 1. Auflage Leipzig: VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1979, Seiten 140 bis 142" ist bekannt, beim Schlickergießen im Schlicker neben den Pulverteilchen eine Flüssigkeit und Zusätze, die die Viskosität der Lösung erhöhen, vorzusehen.

Alternativ zum Metall werden u. a. Keramiken und Kunst­ stoffe als Filtermaterialien verwendet. Keramische Fil­ ter sind jedoch ebenfalls relativ dick, und es tritt ein entsprechend großer Strömungswiderstand auf. Auch ist die Duktilität nicht gewährleistet. Für viele Ein­ satzzwecke stellt des weiteren die Sprödigkeit des ke­ ramischen Werkstoffs einen Nachteil dar.

Wird Kunststoff als Filtermaterial eingesetzt, so sind keine erhöhten Betriebstemperaturen möglich. Für einige Anwendungszwecke stellt Kunststoff kein geeignetes Fil­ termaterial dar, da dieser nicht den Anforderungen ent­ sprechend sterilisiert werden kann, die z. B. im medi­ zinischen oder im Lebensmittelbereich erforderlich sind. Die Wiedereinsetzbarkeit des Filters ist in die­ sen Fällen nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist die Herstellung einer tempe­ raturbeständigen, sterilisierbaren, einfach und repro­ duzierbar herzustellenden Metallschicht mit durchgehen­ der Porosität, die duktil, mechanisch stabil und ela­ stisch ist und bei der - sofern sie als Filter einge­ setzt wird - geringe Strömungsdruckverluste auftreten. Ferner sollen Mikrofiltrationsaufgaben mit der Metall­ schicht wahrgenommen werden können.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine maximal 500 µm dicke Metallschicht, mit anderen Worten durch eine Metallfolie gelöst, die einen effektiven Poren­ durchmesser aufweist, der bis zu einem Zwölftel, vor­ zugsweise bis zu einem Fünfzehntel der Schichtdicke der Metallschicht beträgt. Als Poren sind hier die Kanäle zu verstehen, die die durch die Schicht hindurchgehende offene Porosität erzeugen. Gelegentliche "Hohlräume" aufgrund von Inhomogenitäten stellen keine Poren im Sinne des Anspruchs dar.

Die vorgenannten Hohlräume aufgrund von Inhomogenitäten spielen erfahrungsgemäß keine Rolle, wenn die Schicht­ dicke einer erfindungsgemäß aus Partikeln bzw. aus Pul­ ver hergestellten porösen Schicht wenigstens dreimal größer als der mittlere Partikeldurchmesser ist. Wird die anspruchsgemäße Schicht aus Partikeln oder Pulvern erfindungsgemäß hergestellt, so beträgt der effektive Porendurchmesser insbesondere bis zu einem Viertel, vorzugsweise bis zu einem Fünftel des mittleren Parti­ kel- bzw. Pulverkörnerdurchmessers des eingesetzten Pulvers.

Liegt beispielsweise eine 500 µm dicke Metallschicht vor, so beträgt die effektive Größe der Poren, die die durchgehende (offene) Porosität bewirken, bis zu 500/12 mm, also bis zu ca. 40 µm. Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß Substanzen kleiner als ca. 40 µm sein müssen, um die Metallschicht passieren zu können.

Wurde eine Metallschicht aus Pulvern der Größe 50 µm erfindungsgemäß hergestellt, so sollte die Schichtdicke wenigstens dreimal so dick wie der Pulverdurchmesser, also wenigstens 150 µm betragen, um auf Inhomogenitäten des Materials zurückzuführende Hohlraumprobleme zuver­ lässig zu vermeiden. Der effektive Porendurchmesser der Schicht beträgt dann regelmäßig bis zu 50/4 µm (3.50/12 µm) , vorzugsweise bis zu 50/5 µm (3.50/15 µm).

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung be­ trägt die Schichtdicke der Metallfolie maximal 100 µm, vorzugsweise nicht mehr als 50 µm. Die effektive Poren­ größe im vorgenannten Sinne beträgt in allen Fällen ma­ ximal 1/12 der Schichtdicke.

Das Metall erlaubt erhöhte Temperaturen, verhält sich duktil, mechanisch stabil und ist elastisch. Darüber hinaus ist das Material problemlos sterilisierbar. Die Schichtdicke der Schicht bzw. Folie kann im Vergleich zu einem Vlies oder einem Gewebe in engen Toleranzgren­ zen hergestellt werden. Auch ist die Herstellung insbe­ sondere im Vergleich zu einem Gewebe kostengünstig.

Die Schicht besteht vorzugsweise aus Metallen, die sin­ terfähig sind. Metalle, die diese Eigenschaft im Sinne des Anspruchs aufweisen, bilden während eines Sinte­ rungsprozesses Sinterbrücken zwischen einzelnen metal­ lischen Pulverkörnern. Stahl, Edelstahl, Bronze und Nickel bilden Sinterbrücken im vorgenannten Sinne. Diese lassen sich besser als Reaktivmetalle wie Alumi­ nium und Titan sintern.

Die anspruchsgemäße Metallschicht kann durch das aus dem keramischen Bereich bekannte Foliengießen herge­ stellt werden. Hierfür wird zunächst ein Gießschlicker, mit anderen Worten eine Suspension bereitgestellt. Der Schlicker weist Metallpulver auf. Der mittlere Durch­ messer des Metallpulvers ist kleiner als ein Drittel der herzustellenden Schichtdicke zu wählen.

Das genannte Verhältnis von Metallpulver zur Schicht­ dicke stellt sicher, daß die Schicht aus mehreren Lagen Pulverkörnern besteht. So werden durch die Schicht hin­ durchgehende "Löcher" vermieden, die erheblich größer als die gewünschte effektive Porengröße sind. Je mehr Lagen Pulver möglich sind, desto zuverlässiger treten keine "hindurchgehenden Löcher" auf.

Nachteilhaft nimmt mit der Anzahl der Pulverlagen der Strömungswiderstand zu. Nach derzeitigem Kenntnisstand sollte eine Metallschicht daher bevorzugt aus 5 bis 10 Pulverlagen aufgebaut sein.

Der Schlicker besteht neben dem Pulver aus einem Lö­ sungsmittel, Dispergator, Binder und erforderlichen­ falls aus einer Substanz zur Anpassung der Viskosität des Schlickers an eine eingesetzte Gieß- oder Sprühvor­ richtung.

Je dünner beispielsweise der Ausgußschlitz bei einer verwendeten Gießvorrichtung ist, desto dünnflüssiger muß der Schlicker sein. Diese Anpassung erfolgt im Be­ darfsfall durch die Substanz zur Anpassung der Viskosi­ tät.

Als Lösungsmittel eignet sich insbesondere Isopropanol, aber auch Toluol, Wasser etc. Als Dispergator kann Phtalsäurebis-(2 ethylhexylester) eingesetzt werden. Als Binder eignet sich beispielsweise Polyvinylbutyral.

Als Substanz zur Anpassung der Viskosität an apparative Gegebenheiten kann Fischöl verwendet werden.

Bei der Auswahl des Schlickers ist darauf zu achten, daß die nachfolgende Sinterung möglichst wenig behin­ dert wird. Kohlenstoff, Sauerstoff oder Stickstoff dür­ fen im Sinterprodukt daher in nicht zu hohen Konzentra­ tionen auftreten. Oxid-, Carbid-, Nitridbildungen sind während der Sinterung zu vermeiden. Der Schlicker sollte also aus Substanzen bestehen, die zwecks Einhal­ tung der vorgenannten Anforderungen thermisch leicht zersetzbar sind.

Soll eine freitragende Schicht hergestellt werden, so enthält der Schlicker vorzugsweise noch ein Trennmittel wie Polyethylenglykol. Das Trennmittel bewirkt, daß eine getrocknete, aus dem Schlicker hergestellte Schicht von einem Träger ausreichend komplikationslos gelöst werden kann.

Der Schlicker wird auf einen Träger schichtförmig auf­ getragen. Als Träger eignet sich z. B. eine Kunststoff- oder Metallfolie.

Der Schlicker wird getrocknet und vom Träger abgezogen, bzw. abgelöst, falls eine freitragende Metallschicht hergestellt werden soll. Anschließend wird dieser Grün­ ling gesintert.

Alternativ kann die anspruchsgemäße, poröse Metallfolie mittels des aus DE 41 20 706 bekannten Spray-Verfahrens aus der Suspension, also aus dem Schlicker hergestellt werden.

Die Schicht kann in einem vorteilhaften weiteren Ver­ fahrensschritt durch Walzen kalibriert werden. Auf diese Weise wurde beispielsweise eine 117 µm dicke Fo­ lie auf exakt 100 µm Dicke gewalzt. Die Metallschicht kann so hinsichtlich ihrer Dicke reproduzierbar herge­ stellt werden.

Alternativ läßt sich mittels Walzens die Porengröße de­ finiert verkleinern. Es kann so eine definierte Poren­ größe reproduzierbar hergestellt werden. Der Strömungs­ widerstand bzw. die Durchflußrate ist folglich bei der verfahrensgemäß hergestellten Schicht kalibrierbar.

Die anspruchsgemäße Schicht kann als Filter, zu Schall­ schutzzwecken oder bei Flammenrückschlagsperren einge­ setzt werden.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele näher erläutert.

Für die Herstellungsart "Foliengießen" wird ein Schlic­ ker mit folgenden Bestandteilen hergestellt:
Einwaage von 100 g Edelstahlpulver, mittlerer Pulver­ durchmesser ≦ 16 µm

14,4 g Toluol: 26 Gew.-%
Isopropanol: 3 Gew.-%
Methylethylketon: 1 Gew.-%
0,56 g Polyvinylbutyral - 98
1,0 g Polyethylenglykol - 400
1,0 g Phtalsäurebis-(2 ethylhexylester)

Die Einwaage wird 2-2,5 h gemischt, z. B. im Taumelmi­ scher und dann unmittelbar auf einer Foliengießbank ausgegossen auf Dicken von z. B. 60 µm, 120 µm oder dic­ ker (erprobt bis 400 µm).

Nach dem Trocknen (ca. 3 h) und Abziehen der Schicht folgt der Sinterprozeß. Hier wurden Sinterungen bei 950°C für 1-3 Stunden in Vakuum (< 10^-2 mbar), Argon oder Argon + 4 Vol.-% Wasserstoff in einem Rohrofen durchgeführt. Das Produkt ist eine flexible, poröse Me­ tallfolie mit einer relativen Dichte zwischen 55% und 69%. Das Porenmaximum liegt bei dem genannten Pulver bei einem Durchmesser von ca. 5-7 µm.

Für eine Herstellung mittels des aus DE 41 20 706 be­ kannten Spray-Verfahrens wird zunächst die Spritzsus­ pension durch Mischung von Binderlösung und Pulver im Verhältnis 2 : 1 (Vol. Anteile) hergestellt. Als Bin­ derlösung wurde eine 9%ige (Gew.-%) Schellack-Ethanol­ lösung verwendet und als Metallpulver ein gasverdüstes Edelstahlpulver 316 L mit einem Korndurchmesser < 16 µm.

Nach ca. 8 h Homogenisierung im Taumelmischer kann die Suspension unmittelbar in einer geeigneten Anlage ver­ spritzt werden.

Das geschieht durch Aufspritzen von 50-200 µm dicken Schichten auf Polyethylen-Folien (PE-HD 0,2 mm).

Nach Antrocknen (5-10 min) wird die gewünschte Folien­ form mit einem Stanz- oder Schneidewerkzeug ausge­ schnitten: hier Q 93 mm mit Stanzwerkzeug. Nach 1-2 Stunden Trockenzeit (hier 2 h) wird die PE-Folie von der Grünfolie abgezogen. Die Sinterung wurde bei 950°C, 1 Stunde im Vakuum durchgeführt. Das Produkt hat eine relative Dichte von 63% und ein Porenmaximum bei ca. 6 µm.

Claims (5)

1. Metallschicht mit offener Porosität, mit einer Schichtdicke von maximal 500 µm, wobei der effektive Durchmesser der durchgehenden Poren maximal ein Zwölftel der Schichtdicke beträgt.

2. Metallschicht nach vorhergehendem Anspruch, beste­ hend aus einem sinterfähigen Metall und zwar insbe­ sondere aus Stahl, Edelstahl, Bronze oder Nickel.

3. Verfahren zur Herstellung einer Metallschicht mit offener Porosität, indem eine Suspension, die Me­ tallpulver, Dispergator sowie Substanzen zur Anpas­ sung der Viskosität aufweist, auf einen Träger schichtförmig aufgebracht, hierauf getrocknet und anschließend gesintert wird, wobei die Schichtdicke der auf den Träger aufgebrachten Suspension so ge­ wählt worden ist, daß die Schichtdicke der Metall­ schicht nach der Sinterung wenigstens dreimal so dick wie der mittlere Pulverdurchmesser des Metall­ pulvers ist.

4. Verfahren zur Herstellung einer Metallschicht mit offener Porosität nach vorhergehendem Verfahrensan­ spruch, bei dem die getrocknete metallische Schicht vor der Sinterung vom Träger abgezogen wird.

5. Verfahren zur Herstellung einer Metallschicht mit offener Porosität nach einem der vorhergehenden Ver­ fahrensansprüche, bei dem die gesinterte Metall­ schicht gewalzt wird.