DE2057054C3 - 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-Werkstücke, das sich insbesondere für kontinuierliche Arbeitsweise vorteilhaft einsetzen läßt

Metallfaservliese und -Werkstücke sind seit geraumer Zeit bekannt und zeichnen sich dadurch aus, daß sie neben hoher Porosität und großer Oberfläche gute Festigkeit und Flexibilität aufweisen. Sie werden wegen ihrer großen Oberfläche insbesondere für Wärmeaustauscher, bei Batterieelektroden und in Katalysatoraggregaten mit Vorteil verwendet und lassen sich zufolge ihrer hohen Porosität mit Vorteil in Filterplatten und in Schalldämmplatten einsetzen. Durch Variation der Werkstoff-Zusammensetzung 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 Metallfaservliese und -Werkstücke bisher in der Technik nur in Sonderfällen Anwendung finden können, da die Herstellung von MetalJfaser-Werkstücken aufwendig ist, insbesondere dann, wenn Metallfaservliese in gleichförmiger Beschaffenheit gefordert werden.

Metallfaser-Werkstücke werden bekanntermaßen nach Verfahren und Methoden hergestellt, die aus der Textil- und Papierindustrie übernommen wurden. Die verwendeten Metallfasern, die man durch Abspanen von gezogenen feinen Drähten, aus Drahtspänen, galvanisch hergestellten schmalen dünnen Folien, nach dem Aufwachsverfahren hergestellten hohlen Metallfäden oder 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 dem aerodynamischen Prinzip oder auch nach der in der Papierindu-

strie üblichen Methode verarbeitet Bei letzterem Verfahren stellt man eine Suspension der Fasern in 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 Zerspanungsmethode bevorzugt Dabei fallen im wesentlichen nur kurze Faserlängen an, so daß das Sedimentationsverfahren für die Metallfaser-Verfilzung praktische 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 wird. Solche Suspensionsflüssigkeiten hinterlassen häufig beim nachfolgenden Sinterprozeß Rückstände im Metallfasergefüge. Dies ist nachteilig, da schon geringe Reste an Suspensionsflüssigkeit 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 Metallfaservliese häufig bezüglich ihrer Eigenschaften und ihres Aussehens sehr ungleichförmig sind Diese Schwierigkeiten lassen sich, wenn überhaupt nur mit hohem verfahrenstechnischen Aufwand umgehen.

Zur Behebung dieser Nachteile hat die Anmelderin in der deutschen Patentschrift 12 73 14 i bereits ein abgewandeltes Sedimentationsverfahren zur Herstellung von Faserwerkstoffen 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 hergestellt werden, 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 nur kurze und dünne Fasern abgesiebt werden, die auf der Unterlage ungenügend miteinander verfilzen; die längeren und gröberen Fasern bleiben 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 von porösen Metallfaser-Werkstücken gleichförmiger Beschaffenheit in Vorschlag zu bringen.

Diese Aufgabe wird bei einem solchen Verfahren zum Herstellen poröser Werkstücke gleichförmiger Beschaffenheit durch Sieben zerkleinerter Metallfasern auf eine Trägerunterlage und anschließendes Sintern, gegebenenfalls nach Verdichten, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zerkleinerten Metallfasern aus einer rotierenden Streutrommel zunächst zu einer ersten Faserschicht auf die Unterlage, gegebenenfalls unter Zwischenschalten eines Vibrationssiebs, aufgestreut, auf diese erste Schicht ein Bindemittel aufgebracht und darauf eine zweite Metallfaserschicht aufgestreut wird und diese Vorgänge bis zur gewünschten Dicke der auf der Unterlage sich bildenden Matte wiederholt werden, danach die Matte getrocknet und dabei das in dem Bindemittel vorhandene Lösungsmittel entfernt wird. Durch Zwischenschalten eines Vibrationssiebs läßt sich eine besonders gleichmäßige Verteilung der Fasern erreichen.

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

Die Gebrauchseigenschaften des Werkstücks lassen sich in beliebiger gewünschter Weise dadurch variieren, daß dem Bindemittel Pigmente in Form von feinstem Metallpulver, Metallcxidpulver und/oder beim nachfolgenden Sintern reduzierbarer Metallverbindungen zugesetzt werden. Man kann auct=. während des Streuens auf eine oder mehrere der Metallfaserlagen zusätzlich Metallpulver aufspritzen.

Die erfindungsgemäß hergestellten Werkstücke haben gute Gleichförmigkeit und lassen sich mit beliebiger Porosität und mit gewünschten Gebrauchseigenschaften fertigen.

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 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 Metallfaservlieses.

Die so vorbehandelten, klassierten Fasern werden 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 Anmeldering beschriebene Vorrichtung zur Herstellung von Metallfaservliesen, die eine rotierende Streutrommel mit 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.

Wenn man erfindungsgemäß die zerkleinerten Metallfasern in eine solche Streutrommel einfüllt und die Streutrommel in Rotation versetzt, 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, gegebenenfalls durch das Vibrationssieb hindurch, auf das darunter befindliche Trägerblech. Die Lochungen des Trommelmantels sollen zweckmäßig nicht mehr als 50% der gesamten

ίο Fläche des Trommelmantels ausmachen, und die Durchbrüche in den Trommelmantel sollen um den Faktor 2 bis 100 größer als der größte Durchmesser der eingesetzten Fasern sein, damit sich ein besonders guter und stetiger Streueffekt erzielen läßt Außerdem wirkt sich Hie Form der Lochungen aus. Zweckmäßig wählt man bei der Verwendung dünner, kurzer und gerader Faserteilchen, die eine glatte Oberfläche besitzen, kleine Lochdurchmesser, während für dicke, lange, gekrümmte Fasern mit rauher Oberfläche Durchbrüche mit größerem Querschnitt zweckmäßiger sind.

Im Extremfall können die Durchbrüche als Langlöcher oder rechteckig ausgebildet sein. Man kann die zerkleinerten Metallfasern auch aus einer rotierenden Streutrommel mit Siebgewebe streuen; Streutrommeln mit Siebgeweben und gegebenem Sieböffnungsdurchmesser streuen vergleichsweise sehr schnell, aber ungleichmäßiger, und wenn man die Sieböffnungsquerschnitte verkleinert, dann setzen sich die öffnungen des Siebgewebes leicht zu, so daß der Streuvorgang äußerstenfalls zum Erliegen kommen kann.

Das Hochziehen und Herunterfallen der Fasern in der Streutrommel verläuft nicht gleichförmig und kontinuierlich, vielmehr bilden sich Lawinen aus, die sich in regelmäßigen Zeitintervallen von der hochlaufenden Trommelwand lösen. Durch den Aufprall auf den darunter liegenden Bodenteil des Trommelmantels wird der lawinenartige Fall gebremst, so daß der durch das Hochziehen und Herunterfallen zustande kommende effektive Streuvorgang kontinuierlich urd gleichmäßig verläuft Einen besonders guten gleichförmigen Streuvorgang erreicht man dann, wenn man die Zeitintervalle für das Ablösen der Faserlawinen 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 gleichbleibende Trommeldurchmesser die Zeitintervalle immer kleiner und und das Streuverhalten wird besser. Jedoch läßt sich die Drehzahl nicht beliebig erhöhen, andernfalls Fliehkräfte über wiegen, was zur Folge hat, daß die

5^r. Fasern sich relativ schwierig von der Trommelwand lösen. Dann könnte äußerstenfalls der Streuvorgang zum Erliegen kommen. Wenn man im Innern der Streutrommel feststehende Ableitbleche oder -bürsten vorsieht, so kann die Drehzahl unter sonst gleichen

eo Bedingungen etwas höher liegen.

Wenn unterhalb der Streutrommel in der Fallkurve der Fasern ein Vibrationssieb zwischengeschaltet ist, kann mit einer relativ niedrigeren Drehzahl der Streutrommel auch noch gut gearbeitet und gegebenenfalls die Streubreite in gewissen Grenzen variiert werden. Dies empfiehlt sich besonders dann, wenn kleine Werkstücke unterschiedlicher Abmessungen zu fertigen sind.

Durch Hin- und Herbewegen der Streutrommel, gegebenenfalls in Verbindung mit dem Vibrationssieb bei feststehender Trägerunterlage oder kontinuierlichem Fortführen der Trägerunterlage, zum Beispiel in Form eines Transportbandes unterhalb einer oder mehreren feststehenden Streutrommeln und gegebenenfalls Vibrationssieben, werden die Metallfasern lagenweise aufgestreut und aus den Streulagen entsteht nach einer gewissen Zeit die mehr oder weniger dicke erste Faserschicht auf der Unterlage. Damit diese noch ungesinterte Faservliesschicht eine Festigkeit erhält, die eine Handhabung bereits vor dem Sintern möglich macht, wird erfindungsgemäß auf diese erste Faserschicht ein Bindemittel aufgebracht, darauf eine zweite Metallfaserschicht aufgestreut, erneut Bindemittel aufgebracht und diese Vorgänge bis zur gewünschten Dicke der auf der Unterlage sich bildenden Matte wiederholt Dadurch entstehen schon während der Fertigung der Matte Bindungen zwischen den einzelnen Fasern; das in Bildung befindliche Werkstück erhält damit eine vergleichsweise hohe mechanische Stabilität und Unempfindlichkeit gegen äußere .'mechanische Einflüsse, wodurch die Handhabung in der nachfolgenden Arbeitsstufe, dem Trockenvorgang, wesentlich erleichtert wird. Wenn genügend viele Faserschichten übereinander gestreut, bzw. die Matten ausreichend dick sind, werden sie getrocknet, und dabei wird das in dem Bindemittel vorhandene Lösungsmittel entfernt Der Trockenvorgang kann zum Beispiel durch Infrarotbeheizung beschleunigt werden. Nach der Trocknung hat die Matte eine genügend hohe Festigkeit, die eine schonende mechanische Bearbeitung, beispielsweise Trennen mit einer Schere, erlaubt

Die Art des beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Bindemittels ist nicht erfindungswesentlich; sie hängt von der gewünschten Festigkeit und von der Art der eingesetzten Metallfasern ab und vom Fachmann durch einfache Versuche ermittelt oder vom Bindemittel-Hersteller in Erfahrung gebracht werden.

Dem Findemittel können zusätzlich Pigmente in Form von feinstem Metallpulver, Metalloxidpulver und/oder bein nachfolgenden Sintern reduzierbaren Metallverbindungen zugesetzt werden. Lassen sich zugesetzte Metallverbindungen in einer Wasserstoffatmosphäre nicht reduzieren, läßt sich der gewünschte Reduktionseffekt durch Zugabe von Kohlenstoff in Form von Ruß, Aktivkohle oder Grafitpulver zu dem Bindemittel erzielen. Durch die letztgenannten Maßnahmen wird auch der nachfolgende Sinterprozeß gefördert und nach dem Sintern eine höhere Festigkeit der Metallfaser-Werkstücke erzielt, als wenn ohne diese Zusätze gesintert wird. In bestimmten Fällen kann darüber hinaus die Sintertemperatur und/oder die Sinterzeit verkürzt werden, ohne daß die Eigenschaften des Metallfaser-Werkstücks negativ beeinflußt werden. Durch die Zugabe von Pigmenten zu dem Bindemittel lassen sich weiterhin geeignete Legierungsbestandteile in den Faserwerkstoff einbringen, da bei der nachfolgenden Wärmebehandlung auf den Faseroberflächen abgesetzte Metalle in die Fasern eindiffundieren können. Mit dem Bindemitte! aufgebrachte Pigmente können gegebenenfalls bei der nachfolgenden Wärmebehandlung auch als Lot wirken und einen sinterfördernden Effekt bringen.

Man kann nvt dem Bindemittel auch keramische Pigmente aufspritzen, die bei der nachfolgenden Sinterung nicht redrziert werden. Damit gelingt es erfindungsgemäß, auf der Oberfläche der Fasern eine oxidische oder glasartige bzw. emailleförmige Schicht auszubilden, die dann die einzelnen Faserteilchen miteinander verbindet

ί Nach dem Verdampfen des im Bindemittel vorhandenen Lösungsmittels, Trocknen der Metallfasermatte und der anschließenden Sinterung besitzen die erfindungsgemäß hergestellten Metallfaser-Werkstücke eine spezielle Eigenschaftskombination, die andere Werkstoffe

in nicht aufweisen. Besonders vorteilhaft ist das durch hohes Porenvolumen bedingte geringe spezifische Gewicht Es können je nach verwendeter Faserart Metallfaser-Werkstücke mit Porenvolumina bis zu 98% hergestellt rund das spezifische Gewicht entsprechend auf etwa 2% der Werkstoffdichte des vergleichbaren Vollmaterials herabgesetzt werden. Dazu kann man, wenn man mit dem Bindemittel Oxidpigmente einbringt Metallfaser-Werkstücke mit gewünschten katalytischen Effekten herstellen. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich kontinuierlich oder diskontinuierlich durchführen. Man kann Werkstücke beliebiger Form gewinnen, entweder dadurch, daß man in Mattenlorm hergestellte Körper entsprechend zuschneidet oder sonstwie mechanisch bearbeitet, oder dadurch, daß man auf die Unterlage Formen beliebiger Gestalt aufsetzt und Faserschicht und Bindemittel in diese Formen einstreut So lassen sich auch komplizierte poröse Metallfaser-Werkstücke in einfacher Weise herstellen.

Beispiel

Fasern aus 18/8-CrNi-Stahl mit einem mittleren Durchmesser zwischen 0,1 bis 0,2 mm und einer mittleren Länge von 5 mm wurden in eine Streutrommel gefüllt. Die Streutrommel hatte einen mit Lochungen von 1 mm 0 versehenen Mantel, dessen Oberfläche zu etwa 30% aus freier Lochfläche bestand. Der Trommeldurchmesser betrug 200 mm. Die Trommel wurde bis zum Einfüllstand mit den Fasern gefüllt und in Rotationsbewegung mit 50 UpM versetzt. Dabei wurde die Trommel über ein darunter befindliches Trägerblech hin und her geführt Während dieser Bewegung wurden laufend Fasern der Trommel zugeführt, so daß der Einfüllstand erhalten bleibt Das Träger-Auffangblech hatte eine Länge von 500 mm und eine Breite von 500 mm. Nach jeweils vier aufgestreuten F&serlagen wurde Bindemittel in Form einer Lösung von Mischpolymerisaten aus Acrylharzen aufgespritzt. Nach Erreichen von etwa 5 mm Mattendicke wurde die Unterlage mit der aufgestreuten Matte, die etwa eine Größe von

5» 500 χ 500 mm hatte, in einen Trockenschrank eingebracht. Nach etwa 1-stündiger Trocknung bei 100⁰C war das Lösungsmittel verdampft, und die Matte besaß eine beachtlich hohe Festigkeit, so daß sie auf ein mit einem Trennmittel bestrichenes zweites Blech geschoss ben werden konnte. Auf diesem Blech wurde die Matte in einen Sinterofen eingefahren. Die Sinterung erfolgte in dem Schutzgas-Glühofen unter Wasserstoff bei ca. 125O⁰C. Die Haltzeit bei der Solltemperatur betrug ca. zwei Stunden. Nach Abkühlung auf 100°C wurde die

i)() Matte dem Glühofen entnommen. Sie besaß ein silbrig-weißes Aussehen und wies eine Zerreißfestigkeit von etwa 500 N/cm² auf. Das Porenvolumen betrug ca. 85%.

Durch Zwischenordnung eines Vibrationssiebes zwi-

'v; sehen der Streutruinmel und der Unterlage ließ sich die Mattenabmessung in den Grenzen von 400 χ 500 mm bis 600 χ 500 mm variieren.

Claims (3)

1 Patentansprüche;

1. Verfahren zum Herstellen poröser MetalHaser-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 zunächst zu einer ersten Faserschicht auf die Unterlage, gegebenenfalls unter Zwischenschalten eines Vibrationssiebs, aufgestreut, auf diese erste Schicht ein Bindemittel aufgebracht und darauf eine zweite Metallfaserschicht aufgestreut wird und diese Vorgänge bis zur gewünschten Dicke der auf der Unterlage sich bildenden Matte wiederholt werden, danach die Matte getrocknet und dabei das in dem Bindemittel vorhandene Lösungsmittel entfernt sowie 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 dem Bindemittel Pigmente in Form von feinstem Metallpulver, Metalloxidpulver und/oder beim nachfolgenden Sintern reduzierbaren Metallverbindungen zugesetzt werden.