DE19924675A1 - Sintermetallurgisches Verfahren zur Herstellung eines Filterkörpers aus schmelzextrahierten Metallfasern - Google Patents
Sintermetallurgisches Verfahren zur Herstellung eines Filterkörpers aus schmelzextrahierten MetallfasernInfo
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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.
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8141 | Disposal/no request for examination |