DE2261803A1

DE2261803A1 - Verstaerkte poroese metallstruktur und herstellungsverfahren dafuer

Info

Publication number: DE2261803A1
Application number: DE19722261803
Authority: DE
Inventors: Raymond John Elbert; Ernest Gilbert Farrier
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1971-12-20
Filing date: 1972-12-16
Publication date: 1973-06-28
Also published as: CA964497A; DE2261803B2; JPS4869754A; BE793005A; JPS5347784B2; FR2164685A1; FR2164685B1; GB1378030A; US3831258A

Description

_{6 friilA u}._ ,,;:,;,> ¹²· Dezember 1972

' "'^'--'V-cK ./ .*.. Λ ;·ρ/9 Gzs/st

Union Carbide Corp,, 270 Park Avenue, New York, New York 10017, U.S.A.

Verstärkte poröse Metallstruktur und Herstellungsverfahren dafür

Die Erfindung betrifft eine plattenverstärkte, poröse Metallstruktur, in der die Platte herausragende Segmente aufweist, die in der Plattenoberfläche gebildet sind und die in dem porösen Metallmaterial eingebettet sind.

die

Es gibt zahlreiche Verfahren,/gegenwärtig zur Bildung von poröseri Körpern unter Verwendung von Metallpulver-Verfahren hergestellt v/erden. Im allgemeinen umfassen Pulvermetall-Verfahren das Formen von Metallpulver zu Rohkompaktformen mittels derartiger Verfahren, wie lockeres Packen, Kompaktieren, Extrudieren und Walzen oder dergleichen, und dann das Konsolidieren der so gebildeten Rohzusamraensetzung mittels Sintermechanismen. Viele dieser Verfahren sind in dem Buch "Treatise on Powder Metallurgy⁵¹ von CG. Goetzel, Interscience Publishers, Inc., New York, New York (1949) und in dem Buch "Fundamental Principles of Powder Metallurgy" von W.D. Jones, Edward Arnold Publishers, London, England (1960). Weitere Verfahren zur Herstellung von porösen Metallplatten und dergleichen sind in dem US-Patent Nr, 3 433 632 offenbart.

Porös«; Metallstrukturen, wie beispielsweise poröse Platten, sind besonders gut geeignet für die Anwendung als Filter_f abriebbare Dichtungen, Schallunterdrücker, Bremsbeläge, Lagerungen

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und Lagerhalterungen, Energieabsorptionsmaterialien und dergleichen.

Ein Nachteil der porösen Strukturen ist jedoch derι daß das

abzublättern poröse Metallmaterial die Neigung hat, / und/oder in großen Abschnitten abzureissen, wenn es von einem sieh bewegenden Teil berührt wird, was beispielsweise auftritt, Wfmn poröse Metallmaterialien als abriebfähige Dichtungen verwendet wifde.n. Wenn poröse Metallstrukturen einer Umgebung ausgesetzt werden» in der thermische Zyklen auftreten, hat ausserdem dag porös· Metallmaterial die Tendenz, sich von seiner Rückenschicht oder dem Substrat abzuheben oder schichtweise abzublättern. Öer vorliegende Lösungsweg, die gerade genannten Nachteilt von porösen Metallmaterialien zu beseitigen, besteh? fffoSlgwabtnartige Strukturen in die porösen Materialien einzubetten _f um so djm porösen Material ausreichende innere Festigkeit zu gebent Diese honigwabenartigen Strukturen werden zuerst an eint ,ftUclienplatte ge«. schweisst oder verklammert, bevor das poröse Metallmatirial auf und in die Honigwabenstruktur abgelagert wirdt Ntbtn dem aufwendigen Herstellungsverfahren ist die Festigkeit der Honigwabenstruktur nachteilig bei der Verwendung als abriibfähig© Dichtung, da die Honigwabenstruktur einer Deforaation widersteht und damit, wenn das Abriebelement mit der Honigwabfnitruktur in Kontakt kommt, verursacht die in manchen Fällen auftrtttndt Widerstandskraft, daß die HonigwabenstruktuT sich von ihrer Rückenschicht trennt oder übermäßigen Abrieb auf 4tm Abritbteil verursacht.

Ein Hauptziel dieser Erfindung ist die Schaffung eintr plattenverstärkten porösen Metallstruktur, die leicht herzustellen und ausgezeichnet geeignet ist für z.B. abriebfähige Dichtungen_t Bremsbeläge ., Lagerungen und Lagerungshaltungen und dergleichen.

Allgemein gesagt betrifft, diese Erfindung plattenverstärkte poröse Metallstrukturen und deren Herstellung. Die poröse Metallstruktur umfasst eine Rückenplatte,/niinaestena ein Teil von deren Oberfläche herausragende Segmente bildet und ein

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Metallmaterial enthält, das an und auf der Platte und den herausragenden Segmenten befestigt ist." Das poröse Metallinaterial wird auf der Platte mit den herausragenden Segmenten bis zu einer Höhe abgelagert und befestigt, die ausreicht, um mindestens die eingebetteten herausragenden Segmente abzudecken, um damit eine verstärkte poröse Metallstruktur zu bilden, die eine im wesentlichen gleichförmige poröse Metalloberfläche aufweist. Grundsätzlich würde ein Verfahren für die Herstellung einer plattenverstärkten porösen Metallstruktur gemäß der Erfindung darin bestehen, zunächst eine Metallplatte mit herausragenden Segmenten auf seiner Oberfläche herzustellen, und dann mindestens eine Schicht von Metallpartikeln eines geeigneten Metallpulvers auf die Schicht abzulagern in irgendeiner herkömmlichen Weise, wie z.B. Aufsprühen, Aufpinseln oder Aufgiessen, umso die herausragenden Segmente auf der Platte abzudecken. "Das auf der Platte abgelagerte Metallpulver kann danach auf eine Temperatur erhitzt werden, die ausreicht, um die Partikel des Metallpulvers zum Sintern zu bringen, wodurch eine poröse Metallstruktur erzeugt wird, die an der Platte befestigt ist und die herausragenden Segmente einbettet. Das Ablagern der Partikel des Metallpulvers auf der mit herausragenden Segmenten versehenen Platte kann in Anwesenheit eines flüssigen Suspensionsträgers geschehen, wie z.B. einem Feuchtigkeitsagens, um so/im wesentlichen gleichförmige Verteilung des Metallpulvers auf der Platte zu erreichen.

Die mit herausragenden Segmenten versehene Rückenschicht kann an der Rückenstruktur angelötet, angeschweisst oder angeheftet werden, bevor oder nachdem die Partikel des Metallpulvers auf die Platte abgelagert v/erden, und bei einigen Anwendungen kann die Rückenstruktur selbst die Platte mit herausragenden Segmenten sein.

Ein flüssiger Suspensionsträger, wenn er verwendet wird, soll irgendeine Flüssigkeit bedeuten, in der die Partikel des Metall-r pulvers im wesentlichen gleichförmig verteilt sind, so. daß, wenn

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sie auf eine Materialoberfläche aufgebracht wird, wie z.B. auf eine mit herausragenden Segmenten versehenen Metallplatte, die Metailpulverpartikel im wesentlichen gleichförmig darauf abgelagert werden. Flüssige Suspensionsträger, v/ie z.B. Wasser,* Alkohole, wie.z.B. Methanol, Isopropanol und dergleichen; aromatische Kohlenwasserstoffe, wie z.B. Benzol und Toluol, und Ketone, wie z.B. Aceton sind Flüssigkeiten,die besonders gut geeignet sind.bei der Herstellung von porösen Metallmaterialien. Es können auch mischbare Mischungen dieser Flüssigkeit verwendet werden.

Ein poröses Metallmaterial mit einer nominellen Porengröße von 100 Mikron oder weniger kann mittels bekannter Verfahren unter Verwendung irgendeines Metalls oder Metallegierung hergestellt werden, die gepulvert, geflockt oder in Faserform erhältlich ist, und kann dann gesintert werden mit im wesentlichen gleichförmiger gesteuerter Porengröße, die irgendwo vom Submikrobereich bis zu 100 Mikrons oder mehr reicht. Beispiele für einige sinterbare Metallpulver, die verwendet werden können» sind Nickel, Kupfer, Kobalt, Eisen, Wolfram, Silber, rostfreier Stahl, oder Legierungen, wie z.B. Hastelloy X*, Haynes 25*, Haynes 188*, DH 242**, auf Nickel basierende Legierungen und auf Kobalt

* Warenzeichen der Cabot Corporation ** Warenzeichen der Driver-Harris Corporation

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basierende Legierung und dergleichen. Pulver für rostfreien Stahl umfassen die Typen 304 und 316 gemäß der Definition in dem "Metal Handbook", 8. Auflage, Seiten 408 - 409. Andere beispielhafte Metallpulver umfassen (a) solche, die eine Zusammensetzung (Gewichts-%) von Nickel 76%, Chrom 15,8%, Eisen 7,2%, Magnesium 0,2%, Silicium 0,2%,'Kohlenstoff 0,4% und Kupfer 0,1% aufweisen, und (b) solche die in dem US-Patent Nr. 2 703 277 beschrieben sind. Die Grüßender Metallpartikel sind nicht kritisch, jedoch v/erden Partikel mit einem Durchmesser im Größenbereich von 1 bis 100 Mikron vorgezogen. Die Wahl der Partikelgröße hängt hauptsächlich von der gewünschten Porengröße der Metallschicht ab, wobei die kleineren Partikel ein Produkt liefern, das wesentlich kleinere Porengröße auf v/eist. Ebenso können nichtsinterbare Pulver mit sinterbaren Metallpulvern vermischt werden. Die gesinterten Pulver liefern dann eine Matrix, die die nichtsinter- . baren Materialien stützt. Gewöhnlich umfassen nichtsinterbare Materialien Kohlenstoffpulver sowie Rainey-Nickelpulver.

Das plattenverstärkte Material kann aus - Metallen, expandierten Metallen oder ihren Legierungen bestehen: Beispiele für Rückenplatten sind Kupfer* rostfreier Stahl, auf Nickel basierende Legierungen, auf Eisen basierende Legierungen, auf Kobalt basierende Legierungen, Ihconel 600* (* Handeismarke der International Nickel Company), Nickel-Chröm-Legierungen, Hastelloy X, Haynes 25* Haynes 188, DH 242 und dergleichen. Die Dicke der verstärkten Metallplatte kann sich ändern* abhängig von der schließlichen Anwendung der porösen Metallstruktur. Jedoch sollte die Dicke ausreichend sein, so däß die Metallschicht im wesentlichen im Betriebszustand stabil ist und nicht wesentlich geschwächt wird aufgrund von Oxidationen oder dergleichen. Eine Dicke von mindestens 0,025 mm (0,001 inch) wird empfohlen, und obwohl die Dicke erhöht werden kann, um die Stabilität bei einer spezifischen Anwenclun^:nimgebung sicherzustellen, wird eine möglichr.t kinine Dicke aridestrobt, um die Kner^ie zu vermindern, die benöi.if.L wird, um die Struktur

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BAD ORIGINAL

Wenn die verstärkte Schicht als eine Rückenschicht wirken soll, wird ihre Dicke wesentlich größer sein. Wenn die verstärkte Schicht geschweisst oder geheftet oder auf andere Weise an die RUckenstruktur befestigt werden soll, muß das Material der Schicht kompatibel sein mit der Rückenstruktur und ebenfalls mit dem ausgewählten porösen Metallmaterial. Die Eigenschaften der verstärkten Schicht müssen derart sein, daß sie nicht schmilzt oder mit den Partikeln des Metallpulvers während des Sinterverfahrens legiert und verhältnismäßig stabil ist bei der angestrebten Betr i ebsumgebung.

Die herausragenden Segmente, die auf der verstärkten Schichtoberfläche oder Plattenoberfläche gebildet sind, können irgendeine geometrische Form aufweisen, solange sie die gewünschten Funktionen ausführen, d.h., das poröse Metallmaterial zu verstärken, um so im wesentlichen ein Abblättern, Abreissen und Abschälen des porösen Metalls zu beseitigen, wenn dieses entweder bei einer abriebbaren Dichtung verwendet wird, oder einer Umgebung mit thermischen Zyklen ausgesetzt ist. Der Ausdruck "herausstehendes Segment" soll breit genug gemeint sein, um auch herausragende Kanten einer welligen Schicht zu umfassen, so daß Reihen von Kanten, die in einer Schicht gebildet sind, die herausragenden Segmente dieser Schicht umfassen.

Ein hauptsächlicher Vorteil der mittels herausragender Segmente einer Schicht verstärkten porösen Metailstruktur liegt darin, daßt wenn eine derartige Struktur als abriebfähige Dichtung verwendet wird, das abriebfähige Teil beim Berühren und beim Reiben mit dem porösen Metailmaterlal isolierte und nicht miteinander zusammenwirkende herausragende Segmente berührt, die eine Stütze für dan poröse Metalimaterial bilden. Abhängig von dem Winkel, mit dem die Segmente auf der Verstärkungsßchicht angeordnet sind, kann die Kraft des Abriebteils dazu neigen, jedes Segment entlang der Schulttbindungnlinie gebogen oder gefaltet Werden, dlo v> , dem heraunragenden Teil und der

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Oberfläche der an dem herausragenden Teil angrenzenden Schicht gebildet wird» Daher wird j?des herausragende Segment unabhängig arbeiten, ohne die Kraft des Abriebteils zu anderen Punkten in der Struktur weiterzuleiten. In Folge dieser unabhängigen Funktion der Segmente wird ein Abblättern, Abreissen oder Abschälen der porösen Metallstruktur stark vermindert, und Abrieb an dem Abriebteil möglichst klein gemacht. Die herausragenden Kanten einer welligen Verstärkungsschicht in einer porösen Metallstruktur arbeitet ebenfalls unabhängig und liefern damit die gleichen Vorteile, die auch durch die Verwendung von auf der Schicht gebildeten kleineren Projektionen erhalten werden. Wiederum wird das Abriebteil beim Berühren und Reiben auf/in dem porösen Metallinaterial die Kanten der geviä-lten Verstärkungsschicht berühren und deformieren oder abtrennen über einzelne Kanten, mit einem Minimum an aufgebrachter Kraft. Die von dem Abriebteil aufgebracht Kraft kann manchmal dazu neigen, die Kanten entlang der Verbindungsschnittlinie zu falten oder zu biegen, die von den herausragenden Kanten und der nichtdeformierten Oberfläche der angrenzend zu diesen herausragenden Kanten liegenden Schicht gebildet werden. Wenn eine wellenförmige Verstärkungsschicht verwendet wird, sollte vorzugsweise diese Schicht anfänglich mit einer Sieb- oder Netzstruktur hergestellt werden, so daß einzel herausragende Kanten von einer kleineren Kraft geschnitten oder defomiert werden, als die Kraft, die benötigt würde, wenn die wellige Schicht von einer festen Schicht gebildet würde.

Die Dichte, Größe und Form der herausragenden Segmente einer Verstärkungsschicht können sich wesentlich verändern abhängig von der Höhe der thermischen Zyklen, die eine spezifische poröse Metallstruktur aushalten soll. Für abriebfähige Abdichtanwendungen, Lagerungen und Lageraufnahme-Anwendungen sowie für Bremsbelag -Anwendungen ist die Fläche der aus der Schicht herausragenden Segmente, projeziert auf eine Ebene parallel zur Verstärkungsschicht.mindestens 5 % der Fläche der verstärkten Schicht, um so im wesentlichen die notwendige innere Stützung für das poröse Metallmaterial zu liefern,/damit im wesentlichen

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Abblättern, Abreissen oder Abschälen $es im Betriebszustand zu verhindern. Bei Anwendungen, tipi denen die verstärkte poröse Metallstruktur thermiscjipn gyk^pn. ausgesetzt wprden soll, sollte d+e Fläche der hera^sra^ende^ §§}||.clitseg^en:te_f projeziert auf eine Ebene para^laj. zur YppstHrkyngssphlpftti gleich,? falls mindestens 5 % der Fläche der Verstärku^gsscliicjit 'betragen, _t up pQ die notwendige Stütze zur Verhinderunj; des Abscftälerts des pprösen Metallmaterials von der Schicht im Betr|eb,szu§t2Wt| ZU verhindern· Das projezierte Gebiet der herausr^gejacten Sphichtsegmente auf eine Ebene prallel zur Verstärkungsscbfl.cl^t» wie oben dargelegt ι umfasst ebenfalls das herausragende CJettiet einer ^eden Öffnung und einer jeden Apparatur in der schj.cht, die durch die Projektionen erzeugt werden,

Vfeiter Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten, Erfindung ergeben sich aus der beiliegenden parsteH-^ng eines Ausführungsbeispiels sowie aus der folgenden Bpseh,reibur>g,

E§ zeigt:

Fig, 1 eine isometrische Ansicht einer Verstärkungssphiclat mit herausragenden Segmenten?

Fig. 2 die Verstärkungsschicht mit herausragenden Segmenten der Fig. 1, befestigt an einem porösen

Fig. 3a eine isometrische Schnittansicht eiiier Verstärkungsschicht mit trapezförmige^

Fig.3b eine isometrische Schnittansicht einer mit herausragenden Segmenten, die halbiireisförfflijge jektionen aufweisen;

Fig, 3c eine isometrische Schnittansicht e|.ner Verstirk^ng£ischpht mit herausragenden Segmenten, diß JirfitsfiSrmlp Konfigurationen aufweisen;

Fig. 3d eine isometrische Schnittansicht e^Kor Verstär};uogr,.sohicht

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mit herausragenden Segmenten, die kegelstumpfförmige Projektionen aufweisen;

Fig. 3e eine isometrische Schnittansicht einer Verstärkungsschicht mit herausragenden Segmenten, die kegelstumpfförmige Form aufweisen, mit Öffnungen an der Spitze;

Fig. 3f eine isometrische Schnittansicht einer Verstärkungsschicht mit herausragenden Segmenten, die halbkreisförmige Segmente mit Öffnungen darin sind;

Fig. 4a eine isometrische Ansicht-einer maschenartigen Rückenschicht;

Fig. 4b die maschenartige Rückenschicht der Fig. 4a nach Umformung zu einer welligen Konfiguration; und

Fig. 4c die wellige Konfiguration der Fig. 4b eingebettet und befestigt an poröses Metallmaterial.

Ein Verfahren zur Herstellung von mittels einer Schicht mit herausragenden Segmenten verstärkten porösen Metallstrukturen würde das anfängliche Herstellen einer Verstärkungsschicht mit herausragenden Segmenten umfassen. Die herausragenden Segmente· können auf einer Verstärkungsschicht mittels herkömmlicher Verfahren aufgebracht werden, wie z.B. Stanzformen, Pressen und dergleichen.

Die genaue Konfiguration der in einer Richtung herausragenden Segmente können sich gemäß den Zeichnungen ändern. Z.B. zeigt Fig. 3a eine Verstärkungsschicht 11 mit trapezförmig herausragenden Segmenten 10; Fig. 3b zeigt eine Verstärkungsschicht 13 mit halbkreisförmig herausragenden Segmenten 12; Fig. 3c zeigt eine Verstärkungsschicht 15 mit dreieckig herausragenden Segmenten 14; Fig. 3d zeigt eine Verstärkungsschicht 17 mit kegelstumpf förraig herausragenden Segmenten 16; Fig. 3e zeigt

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eine Verstärkungsschicht 19 mit kegelstumpfförmig herausragenden Segmenten 18, die Öffnungen 20 an ihrer Spitze aufweisen; und Fig. 3f zeigt eine Verstärkungsschicht 22, die halbkreisförmig herausragende Segmente 23 aufweist, die öffnungen 21 enthalten.

Partikel / Metallpulvers können mit irgendwelchen herkömmlichen Verfahren auf die mit herausragenden Segmenten versehene Verstärkungsschicht bis zu einer Höhe aufgebracht werden, die ausreicht, um diese Projektionen abzudecken. Danach kann die Verstärkungsschicht mit dem abgelagerten Pulver auf eine Temperatur erhitzt werden, umtiie Partikel des Metallpulvers zu sintern und so eine poröse Metallstruktur zu bilden. Die Sinterungstemperatur für die verschiedenen Metallpulver ist bekannt und kann von federn Fachmann der Pulvermetallurgie bestimmt werden. Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist ej.ne Verstärkungsschicht 2 mit halbkreisförmig herausragenden Segmenten 1 an porösem Metallmaterial befestigt. Segmente 1 sind sicher in dem porösen Metallmaterial 3 eingebettet und liefern damit dem porösen Metallmaterial 3 innere Festigkeit. Venn die poröse Metallstruktur der Fig. 2 als eine abriebfähige Dichtung verwendet wird, wird sie nur minimale Fehler durch Abschälen, Abreissen und Abblättern aufweisen, da die einzelnen herausra.gen-den Segmente das poröse Metallmaterial verstärkten und besser an der Rückenschicht 1 befestigten. Während des Betriebszustandes der porösen Metallstruktur kann das Abriebteil, wie z.B. die Spitze eines Turbinenflügels in das poröse Metallmaterial 3 sich llneinreiben, und beim Berühren der Segmente 1 darin wird das abreibende Teil entweder sich durch das herausragende Segment 1 hindurchschneiden oder es entlang der Verbindungslinie 4 biegen. Vorzugsweise sind die herausragenden Segmente 1 in einem Winkel angeordnet und in einer solchen Beziehung zu dem abreibenden Teil angeordnet, daß eine minimale Kraft des Abriebteiles dazu neigen wird, das herausragende Segment zurück in die Ebene der verstärkten Schicht zu biegen und damit im wesentlichen ungewünschte Schnitte und Beulen in dem Abriebteil zu vermeiden. Infolgedessen sollton die herausragenden Segmente

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in einem Winkel zu der Oberfläche der yerstärkungssphicht liegen,

r
6O^P liegt.

der zwischen ungefähr 45^ und ungefähr 90°' und vorzugsweise hei

Die Anzahl der herausragenden Segmente, die notwendig sind, um eine ausreichende Verstärkung für das.poröse Metallmaterial zu geben, ist veränderlich und hängt von der Endanwendung de^porösen Metallstruktur ab, wie oben beschrieben. Für besondere Anwendungen mag es wünschenswert sein, die herausragenden Segmente an verschiedenen Winkeln in der gleichen Verstärkung^ schicht angeordnet zu haben. Die Ilückensehicht 2 der Fig;. 1 und 2 kann an einer Stützstruktur befestigt sein, vor oder nach der Sinterung des porösen MetallpuUers auf der Schicht 2, Die Rückenschipht. ist gewöhnlich das strukturelle Element einer Gesanitanordnung,7aer die poröse Metallstruktur verwendet werden soll.

Die erfindungsgemäße Verstärkungssehicht könnte ebenfalls aus einer maschen- oder siebartigen Schicht 30 hergestellt werden, die Öffnungen 31 aufweist, wie/Fig. 4a gezeigt ist. Das Maschensieb kann zu einer gewellten Struktur geformt werden_t die herausragende Kanten 33 besitzt, die sich von der Oberfläche der Schicht 32 erstrecken, wie in Fig, Ab gezeigt ist, Wiederuni können Partikel eines porösen Metallpulvers in geeigneter Weise auf einer gewillten Schicht aufgebracht und danach gesintert werden. Wie in Fig. 4c gezeigt ist, ist eine gewellte Schicht 34, die Kanten 35 aufweist, an porösem Metallmaterial 37 befestigt, Diese poröse Metallstruktur 34-37 wird gewöhnlich an einer Rüekenschicht 36 mittels herkömmlicher Verfahren, wie z.B. Anheften, Schweissen oder Löten oder dergleichen befestigt. Wenn diese verstärkte poröse Metallstruktur als eine abriebfähige Dichtung verwendet w^Γdeμ soll, wird das Abriebteil beim Einreiben in das poröse Metallmaterial beim Berühren der Kanten 35 die Kanten 35 schneiden oder sie dazu zwingen, sich entlang der Sehnittbindungslinie 38 zu verbiegen. Wiederum können die herausragenden Kanten in einem Winkel mit Bezug zu der Oberfläche der Schicht angeordnet werden, wie oben beschrieben. Die zusätzliche innere Stütze, die von dieser

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Struktur gegeben wird, vermindert stark das Abschälen» Abreissen oder Abblättern des porösen Metallmaterials von der RUokenschicht und verhindert einen Abrieb von dem Abriebteil. Ein vorzugsweises Verfahren für die Herstellung einer siebförmigen oder maschenartigen Schicht liegt darin, Schnitte oder Schlitze oder derglefchen in ein nichtdurchbrochenes Metallblech einzubringen und danach dieses Blech auszudehnen, um so eine gitterartige Struktur zu erzeugen. Diese gitterartige Struktur kann dann zu einer gewillten Konfiguration geformt v/erden, wie oben beschrieben und in Fig. 4b gezeigt.

Wiederum ist die Anzahl der Kanten auf der Verstärkungsßchicht veränderlich, abhängig von der Endanwendung der porösen Metallstruktur, und sollte so sein, wie es oben beschrieben wurde.

Wie oben beschrieben, liegt es auch innerhalb der Erfindung, daß die Verstärkungsschicht das Rückenteil der porösen Metallstruktur umfasst, solang die notwendigen Projektionen in dem Rückenteil erzeugt werden können. Daher könnte das Metallpulver direkt auf das Rückenteil aufgebracht werden, das die herausragenden Segmente aufweist, und dann könnte die Anordnung in geeigneter Weise gesintert, v/erden, um eine betriebsbereite verstärkte poröse Metallstruktur zu erzeugen.

Die folgenden Bdspiele sollen Ausführungsformen der Erfindung illustrieren.

Beispiel 1

Drei Schichten von Inconel 600 Legierung (Handelsmarke der International Nickel Comp.) mit einer Breite von 38 mm (1 1/2 inch), einer Länge von Vj cm (6 inch) und einer Dicke von 0,2 mm (0,000 inch) wurden mit einem Werkzeug gestanzt und geformt, um Projektionen zu bilden, die von der Oberfläche einer jeden Scbfaht ausgehen. Fünf Reihen von Projektionen mit 30 ProSektionen pro

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Reihe wurden auf jede Schicht aufgebracht, wobei eine Dichte von ungefähr 17 Projektionen pro Quadratinch per Schicht gebildet wurde. Die einzelnen herausragenden Segmente waren im wesentlichen halbkreisförmige Segmente, die einen Durchmesser von 3,2 mm (1/8 inch) aufwiesen, und die in einem Winkel von 60° angeordnet waren, wobei sich zusammen mit der Verstärkungsschicht eine herausragende Höhe von ungefähr 1,5 mm (0,06 inch) von der Oberfläche der Verstärkungsschicht ergab, in einer Weise ähnlich,der, die in Fig. 1 gezeigt ist. Um diese halbkreisförmigen herausragenden Segmente zu erzeugen, wurden die Segmente 210° eingeschnitten, anstatt 180°. Jede Schicht wurde dann mittels Widerstandsschweissens an einem Rückenschichtschuh aus Inconel 600 Legierung befestigt. Der Rückenschuh besaß die Maße 5cm χ 15 pm χ 1,5 mm Dicke und war zu einem Durchmesser von 17,8 cm (7 inch) gebildet. Partikel aus abriebfähigem porösem Metallmaterial und/dann auf die Rückenschuhanordnung aufgebracht. Ein sorgfältig gesiebtes Nickel-Chrom-Pulver (nominell 80 % Nickel, 20 % Chrom) wobei das Sieb eine dichte Maschenweite von 0,1 mm bis 0,05 mm (1,50 bis 250 Tyler mesh) aufwies, wurde der Rückenschuhanordnung aufgebracht, bis eine Gesamtdicke von ungefähr 5 mm (0,2 inch) erhalten wurden. Zu dieser Zeit war die Oberfläche der abgelagerten Pulverschicht nicht gleichförmig, da der Aufbau von Pulverschicht an den Gebieten höher war, die direkt oberhalb der herausragenden Segmente lagen. Zusätzlich war die direkt unterhalb der herausragenden Segmente liegende Fläche nicht ausreichend mit dem Metallpudermaterial gefüllt. Dies wurde absichtlich getan, so daß, wenn ein Abriebteil die herausragenden Segmente berührt, die Widerstandskraft gegen-·" über Deformation der herausragenden Segmente reduziert oder möglichst klein gemacht wird. Die Rückenschuhanordnung mit abgelagertem Pulver wurde dann durch einen Ofen mit einem endlosen Riemen hindurchgeführt, der in einer Wasserstoffatmosphäre auf eine Temperatur von 1125°C aufgeheizt war, um so die Partikel des Metallpulvers zu sintern. Die Aufenthaltsdauer der Anordnung bei 1125⁰C in dem Ofen betrug ungefähr 2 Stunden. Nach dieser Operation waren die Pulverpartikel gut aneinander

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und an der Stützstruktur gesintert.

Eine zweite Gruppe von drei Schichten aus Inconel 600 Legierung wurde in der gleichen Weise wie oben behandelt, mit der Ausnahme, daß zusätzliche herausragende Segmente der Schicht gegeben wurden, indem die Anzahl der Reihen auf 7 und die Anzahl der Projektionen pro Reihe auf AO erhöht wurde, wodurch eine Dichte von ungefähr 31 Projektionen pro Quadratinch der Schicht erhalten wurde.

Eine dritte Gruppe von drei Schichten von Inconel 600 Legierung wurde in genau der gleichen Weise behandelt, mit der Ausnahme, daß die Anzahl der Reihen auf 9 und die Anzahl der Projektionen pro Reihe von 50 erhöht wurde, um eine Dichte von ungefähr 50 Projektionen pro Quadratinch der Schicht zu erhalten·

Eine vierte Gruppe von RUckenschuhen mit darauf abgelagertem porösem Metall wurde ohne die Verwendung einer Verstärkungsschicht erzeugt, aber wurde in der gleichen Weise wie oben gesintert. Im folgenden werden diese Rückenschuhe als Kontrollproben bezeichnet ·

Alle Proben wurden dann an der Oberfläche bearbeitet, um eine im wesentlichen gleichförmige poröse Schicht auf dem Rückenschuh zu erzeugen, mit einer Dicke von 3,5 mm _+ 0,3 mm (0,14 .+. 0,02 inch) Ein abriebfähiges Testrad, das einen Durchmesser von 19 cm (7 1/2 inch) besaß und eine Messerkante von 0,25 mm (0,01 inch) aufwies, abgeflacht um einen eingeschlossenen Winkel von 20°, drehte sich mit einer Geschwindigkeit von 30 m/Sek. (100 Fuß pro Sek.) und war so ausgeführt, daß es mit einer Geschwindigkeit von 0,025 mm/Sek. (0,001 inch/Sek.) eindrang, wurde verwendet, um einen Abrieb in j-eder der Proben zu erzeugen. Die Leistung, die benötigt wurde, um in dem abreibbaren Dichtungsmaterial des nichtgestützten porösen RPckenschuh-MateriäLs (Kontrollproben), betrug weniger als 0,1 PS. Die Kraft von 0,1 PS war ausreichend, um einen Abrieb im wesentlichen durch das poröse Metallmaterial von allen Proben zu erzeugen. Jedoch benötigten die Rückenschuhe

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aus nichtgestütztem porösem Metall eine Kraft Ms zu 0,85 PS, wenn die Messerkanten des Rades die herausragenden Segmente berührte. Eine Untersuchung der Rückenschuhe nach dem Abreibtest ergab, daß die herausragenden Segmente nicht geschnitten, sondern nur deformiert waren, indem sie entlang ihrer Schnittbindungslinie zurück auf die Ebene der Oberfläche gefaltet waren, wodurch sich der Winkel verminderte, mit dem sie sich von der Oberfläche der Verstärkungsschicht erhoben. Daher gab es keine Übertragung von Kraft zu den angrenzenden herausragenden Segmenten von den Segmenten, die tatsächlich von deT"MBSserkante berührt würden, wodurch gezeigt wurde, daß diese verstärkte poröse Metallstruktur sehr wünschenswert ist für fibriebfähige Abdichtanwendungen.

Die Gruppe von Proben.wurde danach bei 870°C (160O⁰F) in ruhender Luft für eine Dauer von 500 Stunden oxidiert. Eine Untersuchung der Proben nach diesem Oxidationstest zeigte, daß die Rückenschuhe aus gestütztem porösem Metallmaterial im wesentlichen noch in Takt waren, wobei das poröse Metallmaterial sicher an den Rückenschuhelementen anhaftete. Bei den nichtgestützten Rückenschuhen (Kontrollproben) war das poröse Metallmaterial tatsächlich von den Rückenschuhelementen getrennt oder abgeschält, wodurch sie nutzlos geworden waren.

Wie durch diesen obigen Test sich ergeben hat, wird eine erfindungsgemäße schichtverstärkte poröse Metallstruktur im wesentlichen starkes Abschälen, Reissen und Abblättern des porösen Materials von dem Rückensubstrat beseitigen, wie auch ein Abrieb des Abriebteiles, und daher besonders geeignet zur Verwendung bei abriebfähigen Abdichtungen, Lagerungen und Lageraufnehmer sowie für Bremsbeläge.

Beispiel 2

Sechs Stücke aus Inconel 600 expandiertem Metall (Streifen von 12,7 mm χ 30,5 cm, 1/2 χ 12 inch),/liefert von Exmet Corp., Bridgeport, Connecticut, bezeichnet als 5 Inconel 600 .8 4/0,

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wurden gebildet durch Falten zu Verstärkungsschichten SWLich denen, die in Fig. 4 b gezeigt sind. Die Falten oder Kanten wurden auf 2,5 mm (0,1 inch) Zentren und zu einer Höhe von 15,2 mm (0,6 inch) gebildet. Die gefalteten Streifen wurden dann zu vorgeformten Inconel 600 Schuhen geschwelsst, Wie in Beispiel 1 beschrieben- Die Palten konnten leicht während

cetrennt werden
der Anbringung/, so daß die Basis der Falten einen Abstand von 0,5 mm bis 0,76 mm (0,02 bis 0,03 inch) aufwies· Da die gefalteten Streifen nur 12,7 mm breit waren, wurden zwei Streifen Seite an Seite auf dem Testschuh aufgeschwei sst, um ein !Ostgebiet von 2,5 χ 15,2 cm (1 inch χ 6 inch) zu erhalten. Das poröse Metall wurde aufgebracht, gesintert und bearbeitet zur gleichen Zeit und in der gleichen Weise, wie die Testproben

■ . dieser und die Kontrollproben von Beispiel 1. Das Testen / Proben wurde dann zur gleichen Zeit und in identischer Weise vorgenommen, wie die Proben und Kontrollproben von Beispiel 1. Infolgedessen dienten die Kontrollproben von Beispiel 1 ebenfalls als Kontrollproben für Beispiel 2. Die Oxidationsbedingungen, die das massive Versagen der Kontrollproben bewirkten, brachten keine sichtbare Trennung auf der g-estützten Struktur und lediglich eine Leistung von 0,1 PS wurde benötigt, um einen Abriebschnitt von 1,8 mm Tiefe (0,76 mm in die Stützstruktur hinein) äzu erzeugen. Die Abriebschnitte wurden senkrecht zu den StUtZfaltungen erzeugt, um zu zeigen, daß Abrieb in jeder Richtung erfolgen kann, wenn es gewünscht wird.

Der Vorteil dieser Art von Verstärkungsschicht liegt darin, daß

s ich
die Kanten/entweder ausdehen oder zusammenfallen können aufgrund der senkrechten und der tangentialen Kräfte, die von den Abriebteilen aufgebracht werden. Infolgedessen wird sich die gestützte Struktur unter einer minimalen Kontaktkraft deformieren, während gleichzeitig die notwendige innere Stütze für das poröse Metallmaterial gegeben wird, wobei im wesentlichen Abschälen, Abreissen und Abblättern des porösen Materials beseitigt wird.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer durch eine Schicht mit

. herausragenden Segmenten verstärkten porösen Metallstruktur, gekennzeichnet durch

a^ Vorbereiten einer Verstärkungsschicht mit herausragenden Segmenten, die auf der Schicht gebildet sind;

b) Ablagern von Partikeln eines Metallpulvers auf die Verstärkungsschicht zu einer ausreichenden Höhe, um zumindest die herausragenden Segmente abzudecken; und

c) Erhitzen des auf die verstärkten Schichten abgelagerten Pulvers auf eine Temperatur, die ausreicht, um die Partikel des Metallpulvers zu sintern, um dabei eine schichtverstärkte poröse Metallstruktur zu erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt Q) die projezierte Fläche der herausragenden Schichtsegmente auf eine Ebene parallel zu der Verstärkungsschicht mindestens 5 % der Fläche der Verstärkungsschicht beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsschicht mindestens 0,25 mm (0,001 inch) dick ist und aus Metall, expandiertem Metall oder Metallegierung . besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 2_P dadurch gekennzeichnet, daß die herausragenden Segmente/einem Winkel zwischen ungefähr 45° und ungefähr 90° zur Oberfläche der Verstärkungsschicht angeordnet sind.

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5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsschicht im Schritt (a) ein gewelltes Maschensieb ist, wobei die Kanten die herausragenden Segmente sind.

6. Schichtverstärkte poröse Metallstruktur, gekennzeichnet durch eine Verstärkungsschicht, wobei auf mindestems einem Teil dieser Verstärkungsschicht herausragende Segmente gebildet sind, und das ein poröses Metallmaterial enthält, die an und auf der Schicht und den herausiqgenden Segmenten befestigt istj wobei das poröse Metallmaterial in einer Höhe abgelagert ist, die ausreicht, um mindestens die herausragenden Segmente abzudecken und einzubetten, um dabei eine verstärkte poröse Metallstruktur zu eneugen, die eine im wesentlichen gleichförmige poröse Metalloberfläche aufweist.

7. Poröse Metallstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das projezierte Gebiet der herausragenden Schichtsegmente auf einer Ebene parallel zu der Verstärkungsschicht mindestens 5 % des Gebietes der Verstärkungsschicht beträgt.

8. Poröse Metallstruktur nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die herausragenden Segmente der Verstärkungsschicht in einem Winkel zwischen ungefähr 45° und ungefähr 90° zur Oberfläche der Verstärkungsschicht angeordnet sind.

9. Poröse Metallstruktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsschicht ein gewelltes Gittersieb ist, wobei die Kanten der Schicht die herausragenden Segmente sind.

10. Poröse Metallstruktur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ve rrrtarkungs schicht an einem Rückenteil befestigt ist.

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