DE2057053C3 - Verfahren zum Herstellen poröser Metallfaser-Werkstücke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur einfachen Herstellung von bereits vor dem Sintern besonders gute Festigkeit aufweisenden Metallfaser-Werkstücken, das sich insbesondere für kontinuierliche Arbeitsweise vorteilhaft einsetzen läßt.

Metallfaser-Vliese und -Werkstücke sind seit geraumer Zeit bekannt und zeichnen sich dadurch aus, daß sie neben hoher Porosität und großer Oberfläche gute Festigkeit und Flexibilität haben. Sie werden wegen ihrer großen Oberfläche insbesondere für Wärmeaustauscher, bei Batterieelektroden und in Katalysatoraggregaten mit Vorteil verwendet und lassen sich infolge ihrer hohen Porosität vorteilhaft in Filterplatten und in Schalldämmplatten einsetzen. Durch Variation der Werkstoffzusammensetzung und der Verarbeitung der Fasern lassen sich die physikalischen und chemischen Eigenschaften in weiten Grenzen modifizieren und auf die verschiedenen Anwendungszwecke abstimmen.

Trotz dieser Vorteile haben Metallfaser-Vliese und -Werkstücke bisher in der Technik nur in Sonderfällen Anwendung finden können, da die Herstellung von Metallfaser-Werkstücken aufwendig ist, insbesondere dann, wenn Metallfaser-Werkstücke in gleichförmiger Beschaffenheit gefordert werden.

Metallfaser-Werkstücke werden bekanntermaßen nach Verfahren und Methoden hergestellt, die aus der Textil- und Papierindustrie übernommen werden. Die verwendeten Metallfasern, die man durch Anspanen von gezogenen feinen Drähten, aus Drehspänen, galvanisch hergestellten schmalen dünnen Folien, nach dem Aufwachsverfahren hergestellten hohlen Metallfäden und dergleichen gewinnt, werden als lange Faser durch Krempeln, Karden oder ähnliche aus der Textilindustrie bekannte Prozesse mittels bekannter Vorrichtungen verfilzt. Kurze durch Zerkleinern hergestellte Metallfasern werden nach den aerodynamischen Prinzip oder auch nach der in der Papierindustrie üblichen Methode verarbeitet. Bei letzterem Verfahren stellt man eine Suspension der Fasern mit einer geeigneten Flüssigkeit her, sedimentiert die Fasern auf ein Draht- oder Textilgewebe und saugt die Suspensionsflüssigkeit ab. Aus wirtschaftlichen Gründen wird bei der Herstellung von Metallfasern im allgemeinen die Zerspannuiigsmethode bevorzugt. Dabei fallen im wesentlichen nur kurze Faserlängen an, so daß das Sedimentationsverfahren für die Metallfaser-Verfilzung besondere Bedeutung gewonnen hat. Da Metallfasern im Gegensatz zu Papier- oder Textilfasern ein relativ hohes spezifisches Gewicht haben, kommen als Suspensionsflüssigkeiten nur spezielle Flüssigkeiten in Betracht, andernfalls eine Trennung von kleinen und großen Fasern unvermeidlich isL Solche Suspensionsflüssigkeiten hinterlassen häufig beim nachfolgenden Sinterprozeß Rückstände im Metallfasergefüge. Dies ist nachteilig, da schon geringe Reste an SuspensionsPüssigkeit oder Reaktionsprodukten dieser, wie Korrosions- oder Krackprodukte, die Sinterung der Fasern in unerwünschter Weise beeinflussen können. Außerdem wird infolge der rauhen und zerklüfteten Faseroberflächen die Knäuel- und Nesterbildung begünstigt, so daß die nach diesem bekannten Verfahren erhaltenen Metallfaser-Werkstücke häufig bezüglich ihrer Eigen-

schäften und ihres Aussehens sehr ungleichförmig sind. Diese Schwierigkeiten lassen sich, wenn überhaupt, nur mit hohem verfahrenstechnischem Aufwand umgehen.

Zur Behebung dieser Nachteile hat die Anmelderin in der deutschen Patentschrift 12 73141 bereits ein abgewandeltes Sedimentationsverfahren vorgeschlagen, bei dem anstelle einer Flüssigkeit Schaum als Trägermedium für die Fasern eingesetzt wird. Zum gewünschten Zeitpunkt wird ein Entschäumungsmittel zugegeben, so daß der Schaum zusammenbricht und die Fasern sich auf einer Unterlage absetzen. Anstelle von Schaum kann man auch Emulsionen verwenden. Dieses ältere Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß es aufwendig ist und sich nur umständlich durchführen läßt. Außerdem können auch dabei Suspensionsmittelreste den nachfolgenden Sintervorgang beeinträchtigen.

Es ist auch schon ein Verfahren bekannt, mit dem Metallfaservliese aus kurzen Metallfasern dadurch herstellbar sind, daß ein Agglomerat von solchen kurzen Fasern über ein Vibrationssieb auf eine Unterlage abgesiebt wird. Hierbei setzen sich die Fasern, die durch die Sieblöcher hindurchrutschen, in freiem Fall auf die Unterlage ab. Dieses Verfahren arbeitet jedoch ebenfalls nicht befriedigend, weil bei kleinen Sieböffnungen praktisch überwiegend kuize und dünne Fasern abgesiebt werden, die auf der Unterlage ungenügend miteinander verfilzen; die längeren und gröberen Fasern bieiben infolge der durch die Vibrationsbewegung oberhalb der Siebfläche begünstigten Knäuel- und Nesterbildung weitgehend als Siebrückstand zurück.

Wenn man dagegen ein Sieb mit relativ großen Sieböffnungen bei diesem bekannten Verfahren einsetzt, dann verläuft der Absiebvorgang zwar sehr schnell, aber das Absetzen auf der Unterlage erfolgt ungleichförmig. Dieser Nachteil läßt sich auch nicht durch Verzögerung der Fallgeschwindigkeit unter Verwendung eines zusätzlich geführten Luftstroms als gasförmiges Suspensionsmedium beheben, weil dann die zuvor im Zusammenhang mit der Verwendung von flüssigen Suspensionsmitteln angeführten Nachteile sich bemerkbar machen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bisher bekannten Verfahren zu beheben und ein einfaches und wirksames Verfahren zum Herstellen poröser Metallfaser-Werkstücke gleichförmiger Beschaffenheit in Vorschlag bringen.

Diese Aufgabe wird bei einem solchen Verfahren zum Herstellen poröser Metallfaser-Werkstücke gleichförmiger Beschaffenheit durch Sieben zerkleinerter Me-

tallfasern auf eine Trägerunterlage und anschließende;;. Sintern, gegebenenfalls nach Verdichten, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zerkleinerten Metallfasern aus einer rotierenden Streutrommel lagenweise übereinander auf die Trägerunlerlage, gegebenenfalls unter Zwischenschalten eines Vibrationssiebs, aufgestreut werden und die entstandene Fasermatte anschließend in bekannter Weise gesintert wird. Durch Zwischenschalten eines Vibrationssiebs läßt sich eine besonders; gleichmäßige Verteilung der Metallfasern erreichen.

Zur sicheren Einstellung gewünschter Eigenschaften und besonders guter Gleichförmigkeit des zu erzeugenden Metallfaser-Werkstücks ist es vorteilhaft, die zerkleinerten Metallfasern vor dem Streuen zu klassieren. Dies kann in beliebiger, dem Fachmann bekannter Weise geschehen.

Die Gebrauchseigenschaften der Metallfaser-Werkstücke lassen sich weiterhin dadurch gezielt variieren, daß Pigmente in Form von feinstem Metallpulver, Metalloxidpulver und/oder beim Sintern reduzierbarem Metallverbindungen den Metallfasern vor dem Sintern zugesetzt werden. Man kann auch während des; Streuens auf eine oder mehrere der Metallfaserlagen zusätzlich Metallpulver aufspritzen.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil» daß alle Fasern eines Faseragglomerates ohne Knäuel- und Nesterbildung gleichförmig auf die Unterlage aufgestreut und dort zu einem gleichförmigen Netzverband abgesetzt und geschichtet werden. Beim anschließenden Sintern entsteht ein Metallfaser-Werkstück gleichförmiger Struktur mit in gewünschter Weise einstellbarer Porosität.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch zum Beispiel Zerspanen hergestellte Metallfasern zunächst in einer Reißmühle oder einer sonstigen zum Zerkleinern von Metallfasern geeigneten, dem Fachmann bekannten Einrichtung zerkleinert und in einem besonderen Arbeitsgang, vorteilhaft nach Länge und Querschnitt getrennt, klassiert. Zwar ist die Klassierung der Fasern für das nachfolgende Verfilzen nicht unbedingt notwendig, bewirkt jedoch eine sichere Einstellung der gewünschten Eigenschaften des zu erzeugenden Metallfaser-Werkstücks.

Die so vorbehandelten Fasern v/erden anschließend aus einer rotierenden Streutrommel durch eine Siebvorrichtung auf eine Trägerunterlage aufgestreut. Der Aufstreuvorgang kann durch ein dem Streutrommelsieb nachgeschaltetes Vibrationssieb beeinflußt und gesteuert werden.

Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich insbesondere die in der Patentanmeldung P 20 57 063.2-24 der Anmelderin beschriebene Vorrichtung zur Herstellung von Metallfaservliesen, die eine rotierende Sireutromme! mil in spezieller Weise gelochtem Trommelmantel aufweist, die mittels einer Antriebsvorrichtung gegenüber einer unterhalb ihrer Längsachse etwa im rechten Winkel angeordneten Trägerform hin- und herbewegbar ist.

Nachdem die zerkleinerten Metallfasern in eine solche Streutrommel eingebracht worden sind und diese in Rotation versetzt worden ist, werden die Fasern von der Trommelwand in Drehrichtung mitgenommen und hochgezogen, bis das Gewicht des Fasergemenges größer ist als die Haftung an der Trommelwand. Dann lösen sich einzelne Fasern aus dem lockeren Faserknäuel und fallen durch die Trommelwandöffnung hinunter, durch das gegebenenfalls vorhandene Vibrationssieb hindurch, auf das darunter befindliche Tragerblech. Der Vorhang des Hochziehens und Herunterfallens verläuft nicht gleichförmig und kontinuierlich, vielmehr bilden sich Lawinen aus, die sich in regelmäßigen Zeitintervallen von der hochlaufenden Trommelwand lösen und auf den Trommelboden fallen. Durch den Aufprall auf den Trtmmelboden wird der lawinenartige Fall gebremst und dadurch, daß die Lochungen des Trommelmantels zweckmäßig nicht mehr als 50% der gesamten Fläche

ίο des Trommelmantels ausmachen, verläuft der Streuvorgang kontinuierlich und gleichmäßig, auch dann, wenn die Zeitintervalle für das Ablösen der Faserlawinen relativ groß sind. Einen besonders gut gleichförmigen Streuvorgang erreicht man, wenn man diese Zeitintervalle möglichst klein hält. Für eine bestimmte Metallfasersorte hängt die Zeitfolge, in der die Faserlawinen abrollen, von dem Streutrommeldurchmesser und der Rotationsgeschwindigkeit der Trommel ab. Ist der Trommeldurchmesser groß und die Umlaufgeschwindigkeit niedrig, so werden die Fasern sehr hoch mitgenommen und die Faserlawinen rollen in relativ großen Zeitabständen ab. Mit zunehmender Drehzahl werden bei gleichbleibendem Trommeldurchmesser die Zeitintervalle immer kleiner und der Streuvorgang gleichmäßigen Die Drehzahl läßt sich jedoch nicht beliebig erhöhen, andernfalls Fliehkräfte überwiegen, was zur Folge hat, daß die Fasern sich relativ schwierig von der Trommelwand iösen. Dann kann äußerstenfalls der Streuvorgang zum Erliegen kommen. Wenn man im Innern der Streutrommel feststehende Ableitbleche oder -bürsten vorsieht, kann unter sonst gleichen Bedingungen mit höherer Drehzahl gefahren werden.

Gute Ergebnisse kann man mit vergleichsweise niedriger Drehzahl der Streutrommel durch das Zwischenschalten des Vibrationssiebs unterhalb der Streutrommel in die Fallkurve der Fasern erreichen. Damit läßt sich auch die Streubreite in gewissen Grenzen variieren. Dies empfiehlt sich besonders dann, wenn kleine Metallfaser-Werkstücke unterschiedlicher Abmessung hergestellt werden sollen.

Durch mehrmaliges Hin- und Herbewegen von Streutrommel, gegebenenfalls in Verbindung mit dem Vibrationssieb, bei feststehender Trägerunterlage oder kontinuierlichem Fortführen der Trägerunterlage, zum Beispiel in Form eines Transportbandes, unterhalb einer oder mehrerer festehender Streutrommeln mit gegebenenfalls zugeordneten Vibrationssieben, werden die Metallfasern aus der Streutrommel lagenweise aufgestreut und so eine mehr oder weniger dicke Fasermattenschicht aus skelettartig untereinander verhakten Einzelfasern gebildet, die bereits eine gewisse, wenn auch relativ geringe Festigkeit hat, die man durch leichtes Verdichten, beispielsweise mittels einer Walze, gegebenenfalls etwas erhöhen kann. Die so erhaltene

5S Meiaüfäsermaiie wird anschließend entweder auf der Unterlage oder von dieser abgenommen in üblicher Weise in einem Sinterofen gesintert. Wenn man die Fasermatte auf der Unterlage in den Sinterofen einführt, sollte zweckmäßig auf die Unterlage, bevor die Metallfasern aufgestreut werden, ein geeignetes Trennmittel aufgebracht werden, damit sich nach dem Sintern das Metallfaser-Werkstück von der Unterlage gut trennen läßt.

Die Zusätze an Metallpulver, Metalloxidpulver und/oder beim Sintern reduzierbaren Metallverbindungen, die man gegebenenfalls den Metallfasern vor dem Sintern zugibt, kann man während des Aufstreuens diesen zwischen die einzelnen Faserlagen beigeben, z. B.

aufsprühen oder einstreuen. Lassen sich zugesetzte Metallverbindungen in Wasserstoffatmosphäre nicht reduzieren, kann der gewünschte Reduktionseffekt durch Zusatz von Kohlenstoff in Form von Ruß, Aktivkohle oder Graphitpulver erreicht werden. Durch die letztgenannten Maßnahmen wird auch der nachfolgende Sinterprozeß gefördert, und es läßt sich eine höhere Festigkeit der Metallfaser-Werkstücke nach dem Sintern erzielen, verglichen mit unter sonst gleichen Verhältnissen, jedoch ohne diese Zusätze gesinterten Metallfaser-Werkstücken. In bestimmten Fällen kann darüber hinaus die Sintertemperatur und/oder die Sinterseit verkürzt werden, ohne daß die Eigenschaften des Metallfaser-Werkstücks negativ beeinflußt werden. Durch die Beigabe solcher Zusätze lassen sich weiterhin geeignete Legierungsbestandteile in die Metallfaser-Werkstücke einbringen, da auf den Faseroberflächen abgesetzte Metalle beim Sintern in die Fasern eindiffundieren können. Zusätze der genannten Art können auch als Lot wirken und einen sinterfördernden Effekt bringen, so daß im fertigen Metallfaser-Werkstück die Metallfasern an ihren Kreuzungspunkten gut verschweißt bzw. verlötet sind.

Man kann vor dem Sintern auch keramische Pigmente aufspritzen, die bei dem nachfolgenden Sintern zwar nicht reduziert werden, mit denen sich aber auf der Oberfläche der Fasern eine oxidische oder glasartige bzw. emailleförmige Schicht ausbilden läßt, die dann die einzelnen Faserteilchen miteinander verbindet.

Nach dem Sintern besitzen erfindungsgemäß hergestellte Metallfaser-Werkstücke neben der erfindungsgemäß erreichten hohen Gleichförmigkeit ein durch das hohe Porenvolumen bedingtes geringes spezifisches Gewicht, das je nach verwendeter Faserart bis zu 98% betragen kann, was einer Herabsetzung der Werkstoffdichte auf etwa 2% des vergleichbaren Vollmaterials entspricht.

Das erfindingsgemäße Verfahren läßt sich kontinuierlich oder diskontinuierlich durchführen. Man kann Werkstücke beliebiger Form gewinnen, etwa dadurch, daß man in Mattenform hergestellte Rohlinge entsprechend zuschneidet oder sonstwie mechanisch bearbeitet, oder dadurch, daß auf die Unterlage Formen beliebiger Gestalt aufgesetzt und die Faserschichten in diese Formen eingestreut werden.

Beispiel

Fasern aus einem 17°/oigen Chromstahl mit einem

ίο mittleren Durchmesser zwischen 50 und 100 μΐπ und einer mittleren Länge von 5 bis 10 mm wurden in eine Streutrommel gefüllt Die Streutrommel hatte einen mit Lochungen von 2 mm 0 und zusätzlich 6 mm langen Querschlitzen versehenen Mantel, dessen Oberfläche zu 50% aus freier Lochfläche bestand. Der Trommeldurchmesser betrug 200 mm. Die Trommel wurde mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 100 UpM rotiert. Dabei wurde die Trommel über ein darunter befindliches Trägerblech hin- und hergeführt Während dieser Bewegung wurden kontinuierlich weitere Fasern der Trommel zugeführt, so daß der Einfüllstand erhalten blieb. Auf das Trägerblech wurde vor dem Anlaufen des Streuvorganges ein Trennmittel aufgebracht, um nach dem Sintern eine gute Ablösung des Metallfaser-Werk-Stücks von dem Trägerblech zu gewährleisten. Die Fasern wurden so lange auf das Trägerblech aufgestreut, bis eine Streuhöhe von etwa 20 mm erreicht war. Danach wurde die Trägerunterlage mit der darauf abgesetzten Fasermatte in einen Schutzgas-Glühofen eingesetzt und darin unter Wasserstoff bei ca. 1200° C zwei Stunden lang gesintert. Danach wurde auf etwa 100°C abgekühlt Das anschließend aus dem Glühofen heraus und von der Unterlage abgenommene fertige Metallfaser-Werkstück hatte ein Porenvolumen von 85%.

Durch nachträgliche Verdichtung konnte, wie an sich

bekannt, ein anderes gewünschtes Porenvolumen, zum Beispiel von 70% eingestellt werden. Dabei blieb die gleichförmige Struktur der erfindungsgemäßen Metallfaser-Werkstücke erhalten.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen poröser Metallfaser-Werkstücke gleichförmiger Beschaffenheit durch Sieben zerkleinerter Metallfasern auf eine Trägerunterlage und anschließendes Sintern, gegebenenfalls nach Verdichten, dadurch gekennzeichnet, daß die zerkleinerten Metallfasern aus einer rotierenden Streutrommel lagenweise übereinander auf die Trägerunterlage, gegebenenfalls unter Zwischenschalten eines Vibrationssiebes, aufgestreut werden und die entstandene Fasermatte anschließend in bekannter Weise gesintert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zerkleinerten Metallfasern vor dem Streuen klassiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Pigmente in Form von feinstem Metallpulver, Metalloxidpulver und/oder beim Sintern reduzierbaren Metallverbindungen den Metallfasern vor dem Sintern zugesetzt werden.