DE2552686C3

DE2552686C3 - Verfahren zur Herstellung poröser Metallkörper

Info

Publication number: DE2552686C3
Application number: DE2552686A
Authority: DE
Inventors: Tsuchio Okazaki Bunda; Isemi Igarashi; Masaharu Takeuchi
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1974-11-26
Filing date: 1975-11-24
Publication date: 1978-12-07
Also published as: DE2552686A1; JPS5817817B2; DE2552686B2; JPS5161405A; US4066450A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung poröser Metallkörper, wobei Fasern aus Eisen, Eisenlegierungen oder rostfreiem Stahl mit einer Schmelze aus Aluminium-Kupfer-Legierung überzogen werden.

Ein vergleichbares Verfahren ist aus der Deutschen Offenlegungsschrift 2043034 bekannt. Dort wird zur Herstellung eines zur Stoßenergieabsorption bestimmten Werkstoffes vorgeschlagen, ein Volumengebilde aus sich kreuzenden und berührenden Drähten, Fäden und/oder Fasern in eine Schmelze einzutauchen, deren Temperatur nur wenige Grad über dem Schmelzpunkt des aufzutragenden Materials und unterhalb des Schmelzpunkts des Materials für das Volumengebilde liegt. Die Fasern können aus Eisen oder Eisenlegierungen bestehen und einen _Μ Durchmesser von 0,1 bis 1 mm aufweisen. Die Schmelze kann aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen bestehen. Das Eintauchen in die Schmelze dient dazu, die Drähte, Fäden und/oder Fasern an ihren Kreuzungs- und Berührungspunkten mittels zusätzlichem Material starr zu fixieren. Nach dem Eintauchen soll überschüssiges Material abgeschleudert werden, so Haß das Oberzugsmaterial hauptsächlich auf die Knotenstellen begrenzt wird. Ein Überzug, der die gesamte Faseroberfläche bedeckt, wird mit diesem bekannten Verfahren nicht erhalten.

Aufgabe der Erfindung ist es, poröse Metallkörper mit einer großen, rauhen und unregelmäßigen Oberfläche bereitzustellen, die wegen ihrer Oberflächenstruktur insbesondere für die Verwendung als Verdampfer, Wärmetauscher oder Katalysatorträger geeignet sind. Verdampfer für flüssige Kohlenwasserstoffe, wie etwa Benzin, und für ähnliche Flüssigkeiten, Katalysatoren, die Träger von Katalysatoren, oder Wärmeaustauscher, wie sie in Kraftfahrzeugen verwendet werden, sollen porös sein und eine große Oberfläche bzw. einen großen Oberflächenbereich aufweisen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben.

Bevorzugte Ausführungsfonnen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie bevorzugte Ausgangsmaterialien und die Verwendung der erfindungsgemäß hergestellten Produkie ergeben sich aus obigen Unteransprüchen.

Ein charakteristisches Merkmal der erfindungsgemaß hergestellten Produkte besteht darin, daß die porösen Metallkörper eine Vielzahl von Metallfasern mit einem Überzug aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung enthalten, welcher eine rauhe und komplexe Oberflächenstruktur mit Rissen, Unregelmäßigkeiten einschließlich flocken-, schuppen- oder plattenförmiger Bereiche aufweist.

Die Porosität der erfindungsgemäß hergestellten Metallkörper beruht auf Poren mit unterschiedlichen Abmessungen, weiche durch das Aufeinanderlegen einer Vielzahl von Metallfasern in willkürlicher oder in vorgegebener Ausrichtung entstanden sind.

Zu brauchbaren Metallfasern gehören Fasern aus Eisen oder einer Eisenlegierung, wie etwa einer Eisen-Chrom-Legierung, Fasern aus rostfreiem Stahl und ähnlichen Materialien, wobei Fasern aus Eisen oder Eisen-Legierungen besonders bevorzugt werden, da sich diese Metalle oder Legierungen mit Aluminium oder mit den für die Überzugsschichten verwendeten Aluminiumlegierungen gut verbinden. Vorzugsweise sollen die Metallfasern einen Durchmesser zwischen 20 μπι und 500 um aufweisen; Metallfasern mit einem Durchmesser unter 20 um sind nicht als Gerüst-Körper brauchbar; Metallfasern mit einem Durchmesser über 500 μιη gewährleisten nicht die angestrebte Porosität. Die Metallfasern können durch Recken von Metalldraht erhalten werden; ferner sind als Metallfasern auch Whisker geeignet. Die Metallfasern werden in Form einzelner Fäden von beträchtlicher Länge oder in Form einer Vielzahl von Fasern miteinander in willkürlicher oder in vorgegebener Ausrichtung verflochten bzw. verwoben, um eine lokkere, poröse, schwammartige Schicht zu erhalten, die als Gerüst-Körper für die herzustellenden Metallkörper dient. Bevor die Metallfasern in Berührung mit dem Überzugsmetall gebracht werden, kann vorzugsweise eine Schicht aus diesen Metallfasern, welche eine vorgegebene Schichtdicke aufweist, auf die Sintertemperatur der Metallfasern erwärmt werden, so daß die Metallfasern sintern und an den gegenseitigen Berührungspunkten der Fasern Verbindungen oder Verknüpfungen ausgebildet werden, wodurch ein festes, starres Gerüst für den Metallkörper erhalten wird.

Die die Metallfasern bedeckenden Überzugsschichten bestehen im wesentlichen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Zu den erfindungsgemäß vorgesehenen AJuminiumlegierungen gehören Aluminiumlegierungen mit Kupfer, Mangan oder Silicium. Wie nachfolgend noch unter Zuhilfenahme der mittels einem Sekundärelektronen-ivükroskop angefertigten Aufnahmen (vgl. Fig. 4) erläutert wird, weisen die Oberflächen der Oberzugsschichten eine Vielzahl von Rissen, Unregelmäßigkeiten und flocken-, schuppen- oder plattenförmige Abschnitte auf, was im Ergebnis als komplexe, rauhe Oberfläche bezeichnet wird. Diese Überzugsschichten bedecken die gesamten Oberflächen der Metallfasern. Es ist jedoch nicht erforderlich, daß die Grenze oder der Übergang zwischen den Überzugsschichten und den Metallfasern genau festgelegt werden kann; vielmehr ist es möglich, daß die Atome aus den Überzugsschichten und aus den Metallfasern ineinander diffundieren, und im Ergebnis deshalb beide Metalle (nämlich die Metalle aus den Fasern und den Überzügen) im Bereich dieser Grenzflächen miteinander physikalisch vermischt oder legiert vorliegen. Da die Überzugsschichten aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen, weisen die Metallkörper hohe Wärmeleitfähigkeit auf und eignen sich ganz ausgezeichnet zur Herstellung von Verdampfern. Vorteilhaft ist weiterhin, daß die Oberflächen der Überzugsschichten mit Aluminiumoxidschichten bedeckt sein können, was den Metallkörpern hohe Korrosionsbeständigkeit verleiht.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung dieser porösen Metallkörper wird auf einer Unterlage aus einem ersten Metall, nämlich Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, ein zweites Metall, nämlich Kupfer oder eine Kupferlegierung aufgebracht; weiterhin werden die Metallfasern in Form einer Schicht auf dem zweiten Metall aufgebracht. Als Kupferlegierungen für das zweite Metall eignen sich insbesondere Kupferlegierungen mit Zinn, mit Zink, mit Nickel oder mit Aluminium. Die Metallfasern müssen einen höheren Schmelzpunkt aufweisen als die Überzugslegierung aus Aluminium und Kupfer, welche im Verlauf der Erwärmung aus den beiden Metallen gebildet wird. Das erhaltene dreischichtige Gebilde wird unter nicht-oxidierender Atmosphäre auf eine solche Temperatur erwärmt, die nicht unterhalb des Schmelzpunkts der obengenannten Aluminium-Kupfer-Überzugs-Legierung, jedoch unterhalb des Schmelzpunkts der Metallfasern liegt, wobei als Folge dieser Erwärmung ein Teil des ersten Metalls und des zweiten Metalls schmelzen und dabei eine geschmolzene Aluminium-Kupfer-Überzugs-Legierung bilden, welche die Metallfasern benetzt; infolge der guten Benetzungsfähigkeit der geschmolzenen Legierung kriecht diese über die Oberflächen der Metallfasern und bedeckt deren gesamte Oberflächen. Hierbei bleibt ein anderer Teil des ersten Metalls als Unterlage oder Träger für den Metallkörper zutück und ist gleichzeitig mit diesem Metallkörper fest verbunden.

Bei der genannten Erwärmung reagiert ein Teil des ersten Metalls mit dem zweiten Metall, wobei eine Aluminium-Kupfer-Legierung zum Überziehen der Metallfasern gebildet wird, welche in fest-flüssi^cr Phase oder in flüssiger Phase vorliegt. In der praktischen Durchführung des Verfahrens soll die Temperatur, auf die erwärmt wird, vorzugsweise um 20 bis 50° C höher liegen als die Temperatur, bei der die Aluminium-Kupfer-Legierung ein Euteklikum bildet. Die Art und Ausbildung der Grenzbereiche zwischen den Metallfasern und dem Überzugsmetall wird durch die Erwärmungsdauer bestimmt. Sofern die Er-") wärmungsdauer lediglich kurz genug ist, um die Metallfasern mit dem geschmolzenen Überzugsmetall zu bedecken, sind die Grenz- oder Übergangsbereiche zwischen den Metallfasern und den Überzugsschichten relativ gut zu unterscheiden, und die Überzugs-

iü schichten besitzen zersprungene bzw. Risse aufweisende irreguläre Oberflächen (vgl. hierzu auch die Fig. 4 a, 4c). Geht jedoch die Erwärmungsdauer über jene obengenannte, nur zur Bedeckung der Metallfasern ausreichende Zeitspanne hinaus, dann reagieren

is die Metallfas -. mit dem Überzugsmetall und bilden lediglich ' den Grenzbereichen zwischen Metallfasern und Uberzugsschichten eine Legierung, was im Ergebnis zu unbestimmten oder verschwommenen Grenzbereichen führt; andererseits können auch die beiden Metalle aus den Fasern und dem Überzug vollständig miteinander reagieren, so daß eine einheitliche Legierung gebildet wird, in der die ursprünglich vorhandenen Metallfasern verschwinden, und die Überzugsschichten dann flocken-, schuppen- oder plattenförmige Oberflächen aufweisen (vgl. hierzu die Fig. 4b, 4d).

Das erste und das zweite Metall müssen nicht notwendigerweise in Form eines Blattes oder einer Folie vorliegen; vielmehr können die jeweiligen Metalle

in auch in pulverförmiger Form verwendet werden. Sofern eine Aluminiumlegierung oder eine Kupferlegierung verwendet werden, soll die Legierung jeweils mehr als 50 Gew.% Aluminium oder mehr als 50 Gew.% Kupfer enthalten.

Γι Der Anteil an erstem Metall muß größer sein als derjenige Anteil, welcher für die Reaktion mit dem zweiten Metall verbraucht wird. Liegen sowohl das erste als auch das zweite Metall in Form von Folien oder dünnen Platten vor, so soll die Dicke der Folie aus erstem Metall größer sein als dies für die vorgesehene Reaktion erforderlich ist. Somit kann ein Anteil der Folie aus erstem Metall, welcher das zweite Metall berührt, mit diesem zweiten Metall reagieren und dabei die Überzugsschichten auf den gesamten Oberflächen der Metallfasern bilden, während ein weiterer Abschnitt dieser Folie aus erstem Metall, welcher das zweite Metall nicht berührt, zurückbleibt und als Unterlage oder Träger für den Metallkörper dient. Hierbei kann lediglich auf eine Temperatur erwärmt werden, die unter der Schmelztemperatur des ersten Metalls, nämlich Aluminium oder der Aluminiumlegierung, liegt.

Die nachfolgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung. Zur Erläuterung dieser Beispiele dienen auch zwei Blatt Abbildungen mit den Fig. 1 bis 4d. Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung Anordnung der Komponenten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

(,o Fig. 2 in schematischer Dprstellung einen erfindungsgemäß hergestellten Metallkörper,

Fig. 3 teilweise im Schnitt einen rohrförmigen, erfindungsgemäß hergestellten Formkörper,

¹Mg. 4a bis 4d Photographien bzw. deren Vergiu-

_h5 ßerungen von mittels einem SckinviaiMektronen-Mikroskop angefertigten Aufnahmen von Schnitten durch einen erfindungsgemäßen Metallkörper bei einer Vergrößerung um den Faktor 91 bei den Fig. 4 ;i

und 4h. um deη Faktor 264 bei Fig. 4c und um den Faktor 528 hei Fig. 4d.

Beispiel 1

Wie Fig. 1 zu entnehmen ist. wird eine Kupferfolie 2 mil einer Dicke von 70 um als zweites Metal! auf eine 4 mm dicke Aluminiumfolie gelegt und anschließend darüber eine Schicht Metallfasern 3 aus rostfreiem Stahl aufgebracht. Darüber wird ein Graphitgewebe 4 und eine Folie 5 aus rostfreiem Stahl gelegt. Diese gesamte Anordnung wird anschließend in einen elektrischen Ofen gebracht und dort unter Wasserstoff-Atmosphäre erwärmt: nach der Erwärmung wird die Anordnung auf Raumtemperatur abgekühlt. Hierbei bilden ein Teil der Aluminiumfolie I und die gesamte Kupferfolie 2 einen Überzug auf den Metallfasern 3. Die Folie 5 aus rostfreiem Stahl dient dazu, die Metallfasern 3 und die Kupferfolie 2 gegen die Aluminiumfolie 1 zu pressen, damit zwischen diesen ein inniger Kontakt hergestellt wird; das Graphitgewebe 4 dient dazu, die Berührung zwischen geschmolzener Aluminium-Kupfer-Legierung und der Folie 5 aus rostfreiem Stahl zu verhindern, während die geschmolzene Aluminium-Kupfer-Legierung im Verlauf der Erwärmung über die Oberflächen der Metallfasern kriecht. Die flächige Schicht oder Matte aus Metallfasern 3 wird aus 3 g Metallfasern mit einem Durchmesser von 28 μηι erhalten, die miteinander in willkürlicher Ausrichtung verwachsen oder verwoben worden sind; die dabei erhaltene Schicht ist unter Wasserstoff-Atmosphäre 120 min lang bei 1000 C gesintert worden, wonach aus den Metallfasern ein gesinterter Körper in der Form einer Platte mit den Abmessungen 80 mm x 80 mm x 0,6 mm erhalten worden ist. welcher die angestrebte Porosität aufwies.

Die Ausgangsstoffe werden auf Temperaturen zwischen 570 und 600° C erwärmt; dieser Temperaturbereich folgt aus der Schmelztemperatur des entsprechenden Eutektikums aus Aluminium und Kupfer von 54S Γ und dem Schmelzpunkt von Aluminium von 66i: C. innerhalb dieses Temperaturbereichs wird 50 min lang gehalten. Im Verlauf dieser Erwärmung reagiert die Aluminiumfolie 1 mit der Kupferfolie 2 im Bereich ihrer sich berührenden Oberflächen, wobei beide Metalle schmelzen und eine geschmolzene Aluminium-Kupfer-Legierung bilden, welche aus der gesamten Kupferfolie 2 und dem oberen Abschnitt der Aluminiumfolie 1 besteht. Anschließend benetzt die geschmolzene Aluminium-Kupfer-Legierung die Oberflächen der Metallfasern, wobei die Schmelze wegen ihrer Benetzungsfähigkeit über die Oberflächen der Metallfasern hinweg auch bis zu jenen Oberflächen kriecht, die ursprünglich nicht von der geschmolzenen Legierung berührt waren, wodurch im Ergebnis die gesamten Oberflächen der Fasern mit der geschmolzenen Legierung bedeckt werden.

Anschließend wird der Metallkörper 32 zerschnitten; von den erhaltenen Proben werden Abbildungen mit dem Sekundärelektronen-Mikroskop angefertigt (das entsprechende Verfahren ist unter der Kurzbezeichnung EPMA für »Electron Probe Microanalyzer« bekannt). Die Fig. 4a bis 4d entsprechen den dabei erhaltenen Photographien; wie aus diesen Photographien ersichtlich ist, bestehen die Überzugsschichten des Metallkörpers 32 im wesentlichen aus zwei Arten von Schichten, die mit den Fig. 4a bzw. 4b dargestellt sind. Die Fig. 4c und 4d zeigen Photographien, die durch Vergrößerung der Photographien 4 a und 4b erhalten worden sind. An der einen, in Fig .-Ja durgestellten Sorte von Überzugsschichtcp können Risse. Unregelmäßigkeiten und rauhe Obtiflächen festgestellt werden, wie das roch besser in ■ Fig. 4c zu erkennen ist. Bei der anderen, mit Fig. 4b dargestellten Sorte von Überzugsschichten können Metallfasern nicht festgestellt werden, es werden jedoch Streifen aus einer Vielzahl von flocken-, schuppen- oder plattenförmigen Teilchen festgestellt, die

'» miteinander in unterschiedlichen Richtungen verbunden sind, wie das noch besser der Fig. 4d zu entnehmen ist. Zusätzlich ist zu erkennen, daß die überzogenen Metallfasern sich in zahlreichen Punkten unter Bildung einer Vielzahl von Poren berühren, was die

ii vorgesehene Porosität gewährleistet. Es konnte nachgewiesen werden, daß die Porosität etwa 65% beträgt. Die Fig. 4a und 4c zeigen die Metallfasern mit im wesentlichen aus Aluminium-Kupfer-Legierung bestehenden Überzugsschichten, welche sich gebildet

:i' haben, als die geschmolzene Aluminium-Kupfer-Legierung infolge ihrer eigenen Benetzungsfähigkeit über die gesamten Oberflächen der Metallfasern gekrochen ist. Demgegenüber zeigen die Fig. 4b und 4 d die Ergebnisse, wobei Atome aus den Metallfasern

:') aus rostfreiem Stahl in die an den Metalifasern anhaftende, geschmolzene Aluminium-Kupfer-Legierung liineindiffundiert sind, so daß dort eine andere Legierung gebildet wird, die aus allen vorhandenen Elementen besteht; diese andere Legierung ist dann auf

in den Oberflächen der Überzugsschichten in flocken-, schuppen-oder plattenförmigen Kristallen abgeschieden. Die flocken-, schuppen- oder plattenförmigen 1 eilchen der Fig. 4b und 4d bestehen aus 45 bis 54 Gcw.'c Aluminium, 31 bis 35% Kupfer, 11 bis 13%

r Eisen, Rest kleine Anteile an Nickel und Chrom. Augenscheinlich ergeben sich diese unterschiede in der Zusammensetzung der Überzugsschichten aus der unterschiedlichen Einwirkungsdauer der geschmolzenen Aluminium-Kupfer-Legierung auf die Metallfasern.

an Zusätzlich sind am Metallkörper 32 teilweise auch Zwischenstufen zwischen diesen beiden Sorten von Oberflächenstrukturen zu erkennen, welche in geringen Mengen die flocken-, schuppen- oder plattenförmigen Teilchen enthalten. Es konnte weiterhin festgestellt werden, daß bei Bildung der flocken-, schuppen- oder plattenförmigen Teilchen die Metallfasern etwas geringere Durchmesser aufweisen als die ursprünglichen Metallfasern.

.₀ Beispiel 2

Nach dem oben erläuterten erfindungsgemäßen Verfahren wird einen rohrförmiger Metallgegenstand 81 aus einem Metallkörper 8 mit großer Oberfläche und einem Aluminiumrohr 7 als Unterlage hergestellt. Dieser Metallgegenstand 81 ist schematisch mit Fig. 3 dargestellt. Der Metallkörper 8 ist auf der Innenfläche des Aluminiumrohrs 7 aufgebracht, welche hier als Unterlage oder Träger für den Metallkörper 8 dient.

Zur Herstellung wird eine 70 μηι Kupferfolie auf die Innenwand eines Aluminhnnrohrs mit einem Innendurchmesser von 44 mm und einem Außendurchmesser von 50 mm gelegt; anschließend wird eine rohrförmige Matte aus Metallfasern, mit einem Ines nendurchmesser von 43 mm und einem Außendurchmesser von 44 mm, innerhalb des Zylinders aus Kupferfolie eingebracht Im Anschluß daran wird die gesamte Anordnung unter Wasserstoff-Atmosphäre

50 min lang auf 590° C erwärmt und daraufhin abgekühlt. Als Ergebnis dieser Erwärmung haftet eine geschmolzene Aluminium-Kupfer-Legierung an den Oberflächen der Metallfasern. Die Porosität des Metallkörpers 8 beträgt etwa 70%.

Werden diese erfindungsgemäß hergestellten porösen Metallkörper mit einer Flüssigkeit wie Benzin, Leichtbenzin oder Gasolin in Berührung gebracht, so wird die Flüssigkeit augenblicklich von den rauhen Oberflächen und/oder den Poren im Metallkörper aufgesaugt; da der Metallkörper weiterhin im wesentlichen aus Metallfasern und Überzugsschichten aus Aluminium-Kupfer-Legierung besteht, weist er eine

ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit auf. Diese beiden Eigenschaften ergänzen sich besonders vorteilhaft dahingehend, daß solche Metallkörper ausgezeichnet als Verdampfer für flüssige Kohlenwasserstoffe oder ähnliche Flüssigkeiten geeignet sind. Weiterhin setzen diese Metallkörper wegen ihrer großen Oberfläche und ihrer Porosität dem Durchtritt von strömenden Medien außerordentlich geringen Strömungswiderstand entgegen, weshalb solche Metallkörper als Wärmeaustausch-Elemente in Wärmetauschern besonders geeignet sind. Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet der Metallkörper ist die Verwendung als Katalysator oder Katalysator-Träger.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung poröser Metallkörper, wobei Fasern aus Eisen, Eisenlegierungen oder rostfreiem Stahl mit einer Schmelze aus Aluminium-Kupfer-Legierung überzogen werden, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Verfahrensschritte:

a) Auf einer Unterlage aus einem ersten Metall, nämlich Aluminium oder einer Aluminium-Legierung, wird ein zweites Metall, nämlich Kupfer oder eine Kupfer-Legierung aufgebracht;

b) auf dem zweiten Metall wird eine Schicht aus Metallfasern aufgebracht; und

c) das erhaltene dreischichtige Gebilde wird unter nicht-oxidierender Atmosphäre auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der Metallfasern so lange erhitzt, bis ein Teil der Unterlage geschmolzen ist und mit dem gesamten zweiten Metall eine Aluminium-Kupfer-Legierung gebildet hat, und diese Schmelze die gesamte Oberfläche der Metallfasern benetzt und überzogen hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die platten- oder rohrförmige Unterlage das zweite Metall in Form von Folien oder dünnen Platten aufgebracht wird.

3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 w oder 2 auf eine Unterlage aus einer Aluminium-Legierung mit Kupfer oder Mangan oder Silicium.

4. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 auf ein zweites Metall aus einer Kupfer-Legierung mit Zinn oder Zink oder Nickel oder Aluminium.

5. Verwendung der nach den Ansprüchen 1 bis 4 erhaltenen Produkte als Verdampfer, Wärmetauscher oder Katalysatorträger.