DE19924675A1 - Sintermetallurgisches Verfahren zur Herstellung eines Filterkörpers aus schmelzextrahierten Metallfasern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein sintermetallurgisches Verfahren zur Herstellung eines porösen Körpers, insbesondere eines Filterkörpers aus Fasern, insbesondere Metallfasern bei dem die in einem Haufwerk vorliegenden losen Fasern durch Agitation vereinzelt und in eine Form gefüllt und die Füllung unter Erhitzung gesintert wird.

Description

Für die Heißgasfiltration zur Abscheidung von Partikeln mit einer Größe < 0,1 µm werden Filterkörper benötigt, die tempe­ raturbeständig sind bei Einsatztemperaturen im Bereich von 600°C bis 1.200°C. Für derartige Temperaturbereiche, mit je nach Einsatzfall starken Temperaturschwankungen, die zu soge­ nannten Temperaturschocks führen können, kommen praktisch nur Metalle in Betracht, wobei jedoch entsprechend kleine Poren­ größen mit möglichst gleichmäßiger Porenverteilung gefordert sind. Darüber hinaus können in den zu entstaubenden Abgasen reaktive Anteile vorhanden sein, die in diesen Temperaturbe­ reichen mit den Metallen des Filterkörpers reagieren, so daß hier Metalle auszuwählen sind, die neben einer Temperaturbe­ ständigkeit und einer Temperaturschockbeständigkeit auch eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Auch bei so­ genannten Flächenbrennern, bei denen Gas oder verdampftes Öl durch einen porösen Flammträger geleitet wird, sowie bei Ka­ talysatorträgern, treten vergleichbare Probleme auf.

Es hat sich nun gezeigt, daß durch Ziehen oder dergl., insbe­ sondere durch eine sogenannte Schmelzextraktion aus einer Ei­ sen-Chrom-Aluminium-Legierung oder einer Nickel-Aluminium- Legierung Metallfasern erzeugt werden können, die einen Alu­ miniumgehalt aufweisen, der weit über dem Aluminiumgehalt liegt, der mit herkömmlichen Verfahren zur Erzeugung von Me­ tallfasern erreichbar ist. Aufgrund ihres hohen Aluminiumge­ haltes weisen derartige Metallfasern für eine Vielzahl von Einsatzfällen eine hohe Temperaturbeständigkeit, insbesondere aber eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das es erlaubt, aus sinterbaren Fasern, insbe­ sondere Metallfasern, poröse Körper herzustellen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein sintermetallurgisches Verfahren zur Herstellung eines porösen Körpers aus Fasern, insbesondere Metallfasern, bei dem die in einem Haufwerk vor­ liegenden losen Fasern durch Agitation vereinzelt und in eine Form gefüllt und gesintert wird. Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es möglich, die vom Herstellungsprozeß her als Haufwerk vorliegenden losen Fasern, die miteinander verhakt sind und zur Klumpenbildung neigen, zu vereinzeln und in die Form so einzustreuen, daß sich ein gleichmäßiges "Porengitter" in der Form aufbaut. Die Formfüllung kann nun unmittelbar in der Form gesintert werden oder in einer Ausgestaltung zu einem porösen Grünkörper gepreßt werden, der anschließend gesintert wird. Durch den Preßvorgang werden unter entsprechender Min­ derung der Porengröße die Fasern zusammengepreßt, so daß ein für das weitere Handling ausreichend stabiler poröser Grün­ körper gewonnen wird. Dieser Grünkörper weist, wie bei sin­ terbaren Preßkörpern üblich, eine hohe Maßhaltigkeit auf und kann anschließend praktisch ohne nennenswerte Schrumpfung zu einem festen und stabilen porösen Körper unter Erhitzung gesintert werden. Hiermit lassen sich je nach Preßvorgang Filterkörper herstellen, die eine Porosität bis zu 95% auf­ weisen und Durchflußraten bis zu 300 l/min dm² bei 200 Pa er­ möglichen. Die so in einem Sinter-Verfahren hergestellten po­ rösen Körper zeichnen sich durch eine hohe mechanische Fe­ stigkeit und eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine hohe Korrosionsbeständigkeit aus.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ver­ einzelung der Fasern unter Einwirkung von gerichteten mecha­ nischen Schwingungen auf das Haufwerk beim Einfüllen in die Form bewirkt wird. Die Agitation des Haufwerks durch Einwir­ kung von gerichteten mechanischen Schwingungen kann bei­ spielsweise dadurch bewirkt werden, daß die Faserzufuhr aus dem Faserhaufwerk zur Form über einen Schwingförderer er­ folgt.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Vereinzelung durch Agitation des Haufwerks auf einer Siebfläche beim Einfüllen in die Form bewirkt wird. Je nach Ausgestaltung der Form kann hierbei eine schwingende Siebflä­ che oder aber auch eine rotierende Siebfläche vorgesehen wer­ den, auf die das Haufwerk aufgebracht wird. Hierbei reicht eine verhältnismäßig grobmaschige Siebfläche mit einer Ma­ schengröße von etwa 0,5 bis 5 mm aus. Durch die Umwälzung des Haufwerks auf der Siebfläche wird erreicht, daß sich aus dem Haufwerk immer nur im Bereich der Sieböffnungen Fasern aus dem Haufwerk lösen und dann in die Form einfallen können.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Form bei der Vereinzelung der Metallfasern relativ zum Faserzulauf bewegt wird. Die Relativbewegung zwischen dem Fa­ serzulauf, beispielsweise dem Abwurfende eine Schwingförder­ rinne oder im Unterlauf eines Siebes, richtet sich nach der geometrischen Form des herzustellenden porösen Körpers. Die Form kann hierbei rotieren oder relativ zum Faserzulauf in einer Ebene hin und her bewegt werden.

Sofern der herzustellende poröse Körper zur Befestigung in entsprechenden Gehäusen Anschlußelemente aufweisen muß, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß we­ nigstens ein mit dem porösen Körper zu verbindendes Anschlu­ ßelement als Formelement in die Form eingelegt mit angesin­ tert wird. Vorteilhaft ist es, wenn das Formelement beim Pressen der Formfüllung mit angepreßt wird. Besonders zweck­ mäßig ist es hierbei, wenn das Formelement durch einen vorge­ preßten pulvermetallurgischen Grünpreßling gebildet wird. Da­ mit ist der Vorteil gegeben, daß nach Abschluß des Sintervor­ gangs ein fertiger poröser Körper vorliegt, der keiner weite­ ren Nachbearbeitung bedarf, da alle notwendigen Gestaltungen, beispielsweise Bohrungen für Befestigungszwecke, Nuten, Stege für Dichtungszwecke etc. bei der Herstellung des Formteils bereits geformt werden können. Bei der Verwendung eines vor­ gepreßten pulvermetallurgischen Grünpreßlings für das Form­ teil entfällt darüber hinaus jegliche mechanische Bearbei­ tung.

Je nach Anwendungsfall kann der Grünkörper als zumindest ein­ seitig offener Hohlkörper, insbesondere als Rohrkörper oder aber auch als Platte gepreßt werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Verwendung von Fasern, insbesondere von Metallfasern mit einem Durchmes­ ser zwischen 1 und 250 µm und einer Länge zwischen 50 µm und 50 mm vorgesehen. Die verwendeten Metallfasern können hierbei eine gleiche Dicke aber unterschiedliche Längen aufweisen, wobei sich gerade durch die Verwendung von Metallfasern un­ terschiedlicher Längen beim Pressen und anschließenden Sin­ tern eine sehr stabile Fasermatrix ausbildet. Die gewünschte Porosität kann dann jeweils über die Dicke der verwendeten Fasern bestimmt werden, wobei die Verwendung von Fasern un­ terschiedlicher Dicke zur Herstellung des Filterkörpers zweckmäßig sein kann. Durch die Verwendung von sehr feinen Metallfasern mit einem Durchmesser von etwa 1 µm können Poren mit einer Öffnungsweite von etwa 3 bis 5 µm erzielt werden. Verwendet man Metallfasern mit einem Durchmesser von etwa 250 µm, ergeben sich Porenweiten von etwa 1 mm.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß schmelzextrahierte Metallfasern auf der Basis einer Ei­ sen-Chrom-Aluminium-Legierung verwendet werden, mit Gehalten an Chrom von 10 bis 25 Gewichts-% und an Aluminium von 5 bis 20 Gewichts-%. Fasern mit einem derart hohen Aluminiumanteil weisen eine sehr gute Temperaturbeständigkeit bei der Heiß­ gasfiltration auf. Die Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung kann hierbei Zusätze von Titan und/oder Zirkon und/oder Hafnium und/oder Seltenerdmetalle enthalten.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die schmelzextrahierten Metallfasern auf der Basis einer Nick-Aluminium-Legierung verwendet werden, mit einem Alumini­ umgehalt zwischen 10 und 40 Gewichts-%. Bei einer Nickel- Aluminium-Legierung kann es zweckmäßig sein, Zusätze von Tan­ tal und/oder Zirkon und/oder Hafnium und/oder Bor und/oder Seltenerdmetallen vorzusehen.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Herstellung eines rohrförmigen Filterkörpers,

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch einen rohrförmigen Filterkörper mit Anschlußelement,

Fig. 3 die Herstellung eines plattenförmigen Filter­ körpers.

Wie Fig. 1 erkennen läßt, wird zur Herstellung eines rohrför­ migen Filterkörpers eine Form 1 verwendet, die eine feste Bo­ denplatte 2 aufweist, an der ein fester Formdorn 3 befestigt ist. Der Formdorn 3 ist zur Bildung eines Formhohlraums 4 mit Abstand von einer Formwandung 5 umschlossen, die aus einem flexiblen Material, beispielweise einem Elastomer hergestellt ist. Die Form insgesamt ist um ihre vertikale Achse drehbar gelagert und mit einem entsprechenden Antrieb verbunden. Es ist aber auch möglich, die Formwandung starr auszubilden und den Formdorn aus flexiblem Material herzustellen und so aus­ zubilden, daß bei einer Druckbeaufschlagung eine Füllung im Formhohlraum 4 gegen die Formwandung gepreßt wird.

Der Faserzulauf zum Formraum 4 erfolgt über eine entsprechend ausgebildeten Schwingförderer 6, auf den die in den Formhohl­ raum 4 einzufüllenden Metallfasern aufgeben werden.

Durch die vom Schwingförderer 6 auf die als Haufwerk aufgege­ benen und zum Teil verklumpten Metallfasern einwirkenden ge­ richteten mechanischen Schwingungen werden die Metallfasern auf dem Schwingförderer vereinzelt, so daß sich auf dem Wege bis zum Abwurfende 7 des Schwingförderers 6 eine dünne Schicht unverhakter Metallfasern ausbildet, die dann lose in den Formhohlraum 4 "eingestreut" werden. Durch Drehung der Form 1 kann im Formhohlraum 4 dann eine gleichmäßige Füllung von lose aufeinanderliegenden Metallfasern aufgebaut werden.

Nach vollständiger Füllung der Form 1 wird die Faserfüllung im Formhohlraum 4 unter Druckbeaufschlagung der flexiblen Formwandung 5 durch isostatisches Pressen zu einem porösen Grünkörper verdichtet.

Will man einen rohrförmigen Filterkörper herstellen, der, wie in Fig. 2 dargestellt, neben dem eigentlichen Filterkörper 8 noch zusätzliche Anschluß- oder Befestigungselemente 9, bei­ spielsweise in Form eines Flanschringes oder dergl. aufweist, dann kann dieses Element entweder als Fertigteil aus gediege­ nem Metall, als Sinterteil oder aber als vorgepreßter pulver­ metallurgischer Grünpreßling auf den noch zu pressenden Grün­ ling für den Filterkörper 8 mit in die Form 1 eingelegt wer­ den und mit diesem zusammen zu einem fertigen Grünkörper ver­ preßt werden. Anschließend wird dann der so gewonnene Grün­ körper in üblicher Weise in einem Sinterofen zu einem ferti­ gen Filterkörper gesintert. Ein derartiger Filterkörper kann, wie dargestellt, rohrförmig ausgebildet sein oder die Form einer Filterkerze aufweisen, bei der der rohrförmige Teil an seinem dem Flansch abgekehrten Ende durch einen Boden ver­ schlossen ist.

In Fig. 3 ist als Beispiel die Herstellung eines plattenför­ migen Filterkörpers dargestellt. Hierfür ist ein beispiels­ weise rechteckiges schalenförmiges Werkzeug 10 vorgesehen, auf das unter Hin- und Herbewegung (Pfeil 11) die zu pressen­ den und zusammenzusinternden Metallfasern als lose Faserlage aus vereinzelten Metallfasern aufgestreut werden. Das Auf­ streuen kann wiederum mit Hilfe einer Förderrinne, wie anhand von Fig. 1 dargestellt erfolgen.

Wie Fig. 3 zeigt, ist es jedoch bei der verhältnismäßig gro­ ßen "Füllöffnung" des schalenförmigen Preßwerkzeugs 10 zweck­ mäßig, wenn oberhalb des Preßwerkzeugs eine rotierende Sieb­ trommel 12 angeordnet ist, die mit einem groben Drahtgewebe als Siebfläche versehen ist. In den Innenraum der Siebtrommel 12 werden die aufzugebenden Metallfasern laufend eingefüllt, durch die Rotation der Siebtrommel agitiert und hierbei in ihrer Verhakung untereinander gelöst, so daß die Metallfasern wiederum als Einzelfasern auf das Preßwerkzeug 10 aufgestreut werden können. Durch die Hin- und Herbewegung wird die ge­ wünschte Schichtdicke aufgebaut.

Anschließend wird in bekannter Weise auf das Preßwerkzeug 10, das mit Abstandhaltern versehen ist, die der gewünschten Dic­ ke der fertiggesinterten Platte entsprechen, ein Flächenge­ wicht aufgelegt. Die so vorbereitete und mit einem Flächenge­ wicht versehene Form wird dann in den Sinterofen verbracht und dort durch Sintern auf die gewünschte Porosität und Dicke gesintert. Auch bei dieser Verfahrensweise ist es möglich, notwendige Anschlußelemente als Formelemente in das Werkzeug 10 mit einzulegen und mit anzusintern. Statt einer Siebtrom­ mel kann auch ein Schwingsieb eingesetzt werden. In beiden Fällen ist für eine gleichmäßige Schichtdicke Sorge getragen.

Bei einem nach dem anhand von Fig. 1 beschriebenen Verfahren hergestellten rohrförmigen Filterkörper läßt sich eine Poro­ sität bis zu 50% mit einer maximalen Porengröße von 5 bis 250 µm erzielen. Ein derartiger Filterkörper erlaubt Durchflußra­ ten bis zu 280 l/min dm² bei 200 Pa.

Ein entsprechend dem anhand von Fig. 3 beschriebenen Verfah­ ren hergestellter plattenförmiger Filterkörper weist eine Porosität bis zu 95% bei einer maximalen Porengröße von 50 bis 250 µm auf und erlaubt Durchflußraten bis zu 300 l/min dm² bei 200 Pa auf. Eine Festigkeit bis zu 10 N/mm² ist bei diesen hohen Porositäten möglich.

Zur Herstellung dieser Filterkörper werden schmelzextrahierte Metallfasern mit einem Durchmesser zwischen 20 und 250 µm und einer Länge zwischen 50 µm und 50 mm verwendet, die auf der Basis einer Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung oder einer Nic­ kel-Aluminium-Legierung hergestellt sind und jeweils einen hohen Anteil an Aluminium aufweisen, wie dies eingangs be­ reits erläutert worden ist. Die Legierungen können jeweils noch zusätzliche Legierungsbestandteile enthalten, wie sie in den Ansprüchen 11, 12 und 14 bis 18 angegeben sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur bei der Verwen­ dung von Metallfasern anwendbar. Wenn im konkreten Einsatz­ fall keine oder nur geringe Anforderungen an die mechanische Festigkeit oder an die Temperaturschockbeständigkeit gestellt werden, lassen sich auch Fasern aus keramischem Material in der angegebenen Weise verarbeiten.

Claims (20)

1. Sintermetallurgisches Verfahren zur Herstellung eines po­ rösen Körpers, insbesondere eines Filterkörpers aus Fasern, insbesondere Metallfasern bei dem die in einem Haufwerk vor­ liegenden losen Fasern durch Agitation vereinzelt und in eine Form gefüllt und die Füllung unter Erhitzung gesintert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß schmelzextrahierende Metallfasern verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Form als Preßform ausgebildet ist und die in die Form eingefüllten Metallfasern zu einem porösen Grünkörper ver­ preßt werden, der anschließend gesintert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vereinzelung unter Einwirkung von ge­ richteten mechanischen Schwingungen auf das Haufwerk beim Einfüllen in die Form bewirkt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vereinzelung unter Agitation des Hauf­ werks auf einer Siebfläche beim Einfüllen in die Form bewirkt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Form bei der Vereinzelung der Metallfa­ sern relativ zum Faserzulauf bewegt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens ein mit dem herzustellenden po­ rösen Körper zu verbindendes Anschlußelement als Formelement in die Preßform eingelegt und mit den Metallfasern an den sich bildenden Grünkörper angepreßt und anschließend mit an­ gesintert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Formteil durch einen vorgepreßten pul­ vermetallurgischen Grünpreßling gebildet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Grünkörper als zumindest einseitig of­ fener Hohlkörper, insbesondere als Rohrkörper gepreßt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Grünkörper als Platte gepreßt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß schmelzextrahierende Metallfasern mit einem Durchmesser zwischen 1 und 250 µm und einer Länge zwischen 50 µm und 50 mm verwendet werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß schmelzextrahierte Metallfasern auf der Ba­ sis einer Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung verwendet werden mit Gehalten an Chrom von 10 bis 25 Gewichts-% und Gehalten an Aluminium von 5 bis 20 Gewichts-%.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Legierung Zusätze von Titan und/oder Zirkon und/oder Hafnium und/oder Seltenerdmetall aufweist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusätze von Titan, Zirkon und/oder Hafnium insgesamt im Bereich von 0,1 bis 1,9 Gewichts-% liegen.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß schmelzextrahierte Metallfasern auf der Ba­ sis einer Nickel-Aluminium-Legierung verwendet werden mit ei­ nem Gehalt an Aluminium zwischen 10 und 40 Gewichts-%.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung Zusätze von Tantal und/oder Zirkon und/oder Hafnium und/oder Bor und/oder Seltenerdmetallen aufweist.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Tantalgehalt zwischen 5 und 15 Gewichts-% liegt.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeich­ net, daß der Hafniumgehalt zwischen 0,3 und 1,5 Gewichts-% liegt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Gehalt an Zirkon und/oder Bor zwischen 0,05 und 0,3 Gewichts-% liegt.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Gehalt an Seltenerdmetallen zwischen 0,01 und 0,1 Gewichts-% liegt.