DE3013659C2

DE3013659C2 -

Info

Publication number: DE3013659C2
Application number: DE3013659A
Authority: DE
Inventors: Masatoshi Kyoto Jp Tsuda; Takeshi Suita Jp Kobayashi; Katsumi Yao Jp Kaitani
Original assignee: KATSURAGI SANGYO KK
Current assignee: KATSURAGI SANGYO KK
Priority date: 1979-04-10
Filing date: 1980-04-09
Publication date: 1990-04-19
Also published as: CH645285A5; BE882691A; GB2049735B; US4357393A; FR2453707B1; GB2049735A; CA1162426A; JPS55138007A; FR2453707A1; US4443404A; JPS5852528B2; DE3013659A1; NL8002093A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer ge sinterten porösen Metallplatte nach dem Oberbegriff des Patent anspruches 1.

Es ist vorgeschlagen worden, eine poröse Metallplatte oder ein Blech durch Erhitzen von Metallteilchen unter Druck mit einem Bindermaterial herzustellen. Da es in diesem Falle notwendig ist, in einem solch bekannten Prozeß ein Bindermaterial zu ver wenden, sind die Metallteilchen nicht direkt miteinander verbun den, was zur Folge hat, daß die erzeugte Struktur nicht sehr belastbar ist. Weiterhin ist das Volumen der Poren in der Plat tenstruktur klein im Vergleich zu dem des Bindermaterials, was zur Folge hat, daß die Luftdurchlässigkeit und die Porosität gering sind.

Ein größerer Nachteil ist noch, daß die Schallabsorptionscha rakteristik dieser Platten nicht befriedigend ist, da die Poro sität innerhalb der Plattenstruktur im wesentlich einheitlich ist. Platten mit guten Schall- und Vibrationsabsorptionscharak teristiken weisen hingegen einen Dichtegradienten auf.

Es ist ein Verfahren zur Herstellung von Brennstoffzellenelek troden, die Schichten mit verschiedener Porosität besitzen, bekannt (US-PS 34 71 287). Die Schichten dieser Elektroden werden bei diesem Verfahren zunächst separat hergestellt und anschließend zu einer Mehrschichtenstruktur gesintert. Auf diese Weise soll das Auftreten von Fehlstellen bzw. zu großen Poren verhindert werden. Dieses Verfahren ist sehr aufwendig, da es aus vielen Einzelverfahrensschritten besteht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, um eine gesinterte, poröse Metall platte in einfacher Weise herzustellen, die ausgezeichnete Schall- und Vibrationsabsorptionscharakteristiken aufweist.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, dessen Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 aufgeführt sind. Eine gesinterte poröse Metallplatte gemäß der Erfindung hat im Vergleich mit bekannten Bauarten verschiedene sich unterschei dende Merkmale. Es wird kein Bindermaterial verwendet, die Me tallteilchen sind untereinander direkt und fest durch das Sintern verbunden und die Platte hat einen Dichtegradienten in schicht abhängiger Weise in Richtung ihrer Dicke, wie z. B. eine Grob- Dicht-Grob-Schichtstruktur oder eine Dicht-Grob-Dicht- Schichtstruktur, oder eine Grob-Dichtschichtstruktur usw. Aufgrund dieses Aufbaus einer gesinterten porösen Metall platte nach dem erfindungsgemäßen Herstel lungsverfahren hat diese verschiedene Vorteile, die im folgen den erklärt werden.

Für den praktischen Einsatz der Erfindung kann jedes entspre chende Metallmaterial vorgesehen werden, dessen Teilchen direkt durch Pressen und Sintern miteinander verbunden werden können. Zum Beispiel können eisenhaltige Metallmaterialien, Aluminium metallmaterialien, Titanmetallmaterialien usw. verwendet wer den. Vorzugsweise können hierfür Teile oder Stücke von Abfall materialien, die bei der Zerspanung oder dem Schneiden solcher Metalle wie Aluminiumlegierungen oder Gußeisen entstehen, ver wendet werden. Die Teilchengröße dieses Metallmaterials kann über einen sehr großen Bereich, etwa 0,3 und 1,7 mm zwischen oder größer variieren.

Gemäß der Erfindung werden die Metallteilchen dadurch zu einer Me tallplatte geformt, daß sie in Abwesenheit eines Bindermateri ales in einer Form gepreßt und gesintert werden, wobei schicht weise ein Dichtegradient in Richtung der Dicke erzeugt wird. Die Dicke der resultierenden porösen Metallplatte kann über ei nen großen Bereich in Abhängigkeit vom speziellen Verwendungs zweck varriert werden, z. B. zwischen 5 und 30 mm. Im allgemei nen beträgt jedoch die Dicke zwischen 10 und 20 mm. Die Porosi tät kann ebenso über einen großen Bereich varriert werden, vor zugsweise wird sie so gewählt, daß die gesinterte poröse Platte eine Porosität von ungefähr 40 bis 60%, vorzugs weise um 50% aufweist.

Eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Platte ist steif, tragfähig und weist eine gro ße Porosität auf, da die Metallteilchen untereinander durch Druck und Sintern verbunden sind, ohne daß ein Bindermaterial verwen det zu werden braucht. Weiterhin hat eine solche Platte ausgezeichnete akustische Absorptions- und Vibrationscharakte ristiken, da ein schichtspezifischer Dichtegradient in der Rich tung der Dicke der Platte besteht. Die ausge zeichnete Schallabsorptionseigenschaft ist das wichtigste Merkmal der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Platte. Eine solche Platte hat die Klangabsorptionscharakteristik von konventionellen porösen Ma terialien (hohe Töne oder Frequenzen können wirkungsvoll ab sorbiert werden, aber die Absorption von tiefen Tönen oder tie fen Frequenzen oder Vibrationen ist fast unmöglich), da sie ei ne poröse Struktur hat. Anderseits, und das ist sehr wichtig, kann eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Platte Klangabsorptionscharakteristiken des sogenannten Einzelresona tortyp-Klangabsorptionsmechanismus (tiefe Töne und tiefe Fre quenzen können wirkungsvoll absorbiert werden) haben, da die Platte eine vielschichtige Struktur mit einem Dichte- oder einem Poro sitätsgradienten aufweist. Daher können ausgezeichnete Klang- oder Vibrationsabsorptionseffekte mit einer einzelnen und rela tiv dünnen Platte erhalten werden, die nach dem erfindungsgemä ßen Verfahren hergestellt ist.

Anhand von Zeichnungen, die nachfolgend beschrieben werden, wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine gesinterte poröse Metallplatte, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist,

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch eine weitere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Metallplatte,

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch eine Vorrich tung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,

Fig. 4 die Draufsicht auf die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung und

Fig. 5 ein Diagramm, welches die Schallabsorptionscharakte ristiken einer gesinterten porösen Metallplatte nach der Erfindung zeigt.

Gemäß der Fig. 1 ist die gesinterte poröse Metallplatte aus Metallteilchen aufgebaut, die gegenseitig, unmittelbar mitein ander verbunden sind. Zwischen den eingefügten Metallteilchen sind schmale Poren vorgesehen, so daß im ganzen gesehen die Platte eine poröse luftdurchlässige Struktur aufweist. Die Platte ist in drei Schichten aufgebaut, wobei die beiden außen liegenden Schichten 3, 3 eine relativ grobe Struktur und die eine in der Mitte liegende Schicht 2 eine relativ dichte Struktur aufweist. Für diese vielschichtige Struktur mit unterschiedlichen Dichten können auch andere Reihenfolgen vorgesehen werden, wie z. B. eine Dicht-Grob-Dichtschicht oder eine Grob-Dicht-Grob- Dichtschicht oder eine Grob-Dichtschicht usw. je nach ge wünschtem Verwendungszweck der Platte. So ist z. B. in Fig. 2 eine zweischichtige Plattenstruktur gezeigt, die eine grobe Schicht 4 und eine Dichtschicht 5 aufweist. In jedem Fall hat die Platte eine poröse und im gesamten starre Struktur und unterscheidet sich von Bauarten, bei denen getrennte Grobschichten und Dichtschichten über Binde mittel miteinander verbunden sind.

Um eine gesinterte, poröse Metallplatte gemäß der Erfindung herzustellen, ist eine feuerfeste Form vorgesehen, die aus Seitenwänden, einer Bodenplatte und Elektroden besteht. Ein vorherbestimmter Anteil von Metallteilchen wird in die Form gegeben. Eine ebenfalls feuerfeste Presse ist so vorge sehen, daß sie das Metallmaterial in der Form zusammen pressen kann. Während des Preßvorgangs oder der wiederholten Preßvorgänge und des Beendens des Pressens wird das Metallmaterial in der Form einer Widerstandsaufheizung unter zogen, bis eine gegenseitige Sinterbindung der Metallteile untereinander durch den Stromdurchgang, der zwischen den an den beiden Enden der Form angebrachten Elektroden erfolgt, vollendet ist. In diesem Fall ist es wichtig, daß eine sorg fältige Messung der Temperatur zur möglichst gleichförmigen Aufheizung des Ganzen durchgeführt wird. Zu diesem Zweck wird im allgemeinen das Metallmaterial in der Form solange gepreßt, während der Druck kontrolliert wird (10-150 N/cm²), bis sich ein elektrischer Anfangswiderstandswert des ge samten Metallmaterials einstellt, der vorbestimmt wird, (ca. 2 × 10^-2 Ohm bis 1 × 10^-1 Ohm). Danach wird das Metall material unter ständiger Kontrolle des Stromdurchgangs zwischen den Elektroden aufgeheizt, und zwar bis zur Sintertemperatur, weiter hochgeheizt, hoch genug, aber nicht zu hoch, daß ein vollständiges Schmelzen der Metallteile einsetzt, die Stromversorgung gestoppt und die Sinterung vollzogen. Dieses Hochheizen kann vollzogen werden, während das Material unter Druck steht, oder das Material kann auch erst, nachdem es die Sintertemperatur erreicht hat, unter Druck gesetzt werden. Die Sintertemperatur hängt natür lich von dem speziellen Metall ab, welches verwendet wird. So liegt z. B. im Falle von Gußeisen (FC-25) die Sintertemperatur bei ungefähr 1000°C. Im Falle einer Aluminiumlegierung mit 27% Siliziumanteil liegt die Sintertemperatur bei ca. 600°C.

Die Dicke der Platte kann sowohl durch die Menge der verwendeten Metallteilchen oder auch durch das Regeln des Drucks, dem das Material ausgesetzt ist, bevor oder kurz nachdem es die Sintertemperatur erreicht hat, bestimmt werden.

Bei dem oben beschriebenen Verfahren ist es wichtig, daß alle oder einzelne Schichten des Materials so gleichmäßig wie möglich hochgeheizt werden. Zu diesem Zweck können z. B. die Elektroden, die an beiden Enden der Form vorgesehen sind, in mehrere unabhängige verschiedene Paare geteilt werden, so daß in Abhängigkeit von der Widerstandsdifferenz im Material zwischen den entsprechenden Paaren von Elektroden der elektrische Stromfluß einzeln gesteuert werden kann, so daß das gesamte Material gleichmäßig hochgeheizt werden kann.

Die Fig. 3 und 4 zeigen ein Beispiel einer solchen Anordnung. Dort ist gezeigt, daß die Form aus feuerfesten, nichtleitenden Blockseitenwänden 6 und 7 aufgebaut ist und einen schwer schmelzbaren Boden 8 und Elektroden 9 aufweist. Ein bestimmter Anteil von Metallteilchen wird in diese Form eingebracht. Mit P ist eine feuerfeste Presse bezeichnet, die so angeordnet ist, daß sie das Metallmaterial in der Form unter Druck setzen kann. Die Elektrodenanordnung 9 besteht aus mehreren, einander zugeordneten Elektrodenpaaren A-A′, B-B′, C-C′, usw., wobei zwischen die angebrachten Elektroden nichtleitendes, feuerfestes Material 10 eingefügt ist, wie Fig. 4 zeigt. Wärmefühler 11 sind in die Presse P und/oder in den Boden 8 eingebettet, um die Temperatur des Materials zwischen den entsprechenden Paaren von Elektroden zu messen. Abhängig von den so gemessenen Temperaturen kann der Strom fluß zwischen jedem Elektrodenpaar so gesteuert werden, daß das gesamte Material in der Form so gleichförmig wie möglich hochgeheizt wird.

Wie oben schon erwähnt, ist ein wesentliches Merkmal einer erfindungsgemäß aufgebauten porösen Metallplatte oder eines solchen Bleches, daß ein schichtspezifischer Dichtegradient in Richtung der Dicke der Platte besteht, während die Platte die Struktur eines im gesamten gesinterten Körpers aufweist. Dieser Dichtegradient kann z. B. dadurch erhalten werden,

(1) daß die Temperatur der Ober- und/oder Unterschicht der Platte im Vergleich zur anderen Schicht auf eine erhöhte Temperatur gebracht wird, oder
(2) durch schichtweise Variation der Metallteilchengröße beim Auffüllen der Form mit den Metallteilchen.

Im ersten Fall ist z. B. keine Heiz einrichtung in der Presse P und dem Boden 8 der Anordnung, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, vorgesehen. Wenn daher das Material in der Form geheizt wird, wird die Wärme der oben und untenliegenden Schicht von der Presse und dem Boden der Form absorbiert, wodurch die Temperatur dieser Schichten mit dem Ergebnis vermindert wird, daß der Grad der Verschmelzung und der Verformung der Teilchen, die in diesen Schichten liegen, gering ist und daher dort eine relativ grobe Struktur vorherrscht. In der innenliegenden Schicht findet keine solche Temperaturverminderung statt, so daß dort der Grad der Verschmelzung und Verformung der Metallteilchen groß ist. Das hat zur Folge, daß dort eine relativ dichte Struktur entsteht. Anders ausgedrückt wird dadurch eine Grob-Dicht- Grobstruktur erzeugt. Dieser Effekt kann verstärkt werden, wenn eine nicht gezeigte Kühlvorrichtung an der Presse P oder am Boden 8 der Form vorgesehen wird. Im Gegensatz dazu kann auch vorgesehen sein, daß eine Heiz einrichtung am Boden 8 der Form vorgesehen wird, wodurch die Bodenschicht des Metallmaterials im selben Maße wie die innen liegende Schicht geheizt werden kann, wodurch dann nur die obenliegende Schicht des Materials "grob" wird. Hierdurch wird eine zweischichtige Struktur erhalten, nämlich eine Grob- Dichtschicht. Es ist aber auch möglich, Heizvor richtungen sowohl an der Presse P als auch am Boden 8 der Form vorzusehen, wodurch die Oben- und die Untenschicht des Metall materials geheizt werden können, und zwar auf eine Temperatur, die höher als die der in der Mitte liegenden Schicht ist. Hierdurch kann eine Platte erhalten werden, die eine drei schichtige Struktur aufweist, nämlich eine Dicht-Grob- Dichtstruktur.

Wird eine oben erwähnte Vorrichtung (2) verwendet, so wird z. B. ein Teilchenmaterial mit großer Metallteilchengröße von 1,3-1,7 mm in die Form als eine Schicht eingelegt, darauf können Metallteilchen mit kleinerer Größe von 0,9-0,7 mm als Mittelschicht auf die erste Schicht gelegt wer den und schließlich ein Material mit großer Metallteilchengröße von 1,3-1,7 mm als letzte Schicht. Das Ganze wird dann einem Preß- und Sintervorgang unterworfen, wie er oben erklärt ist, um eine gesinterte poröse Metallplatte zu erhalten, die eine drei schichtige Struktur aufweist, und zwar eine grobe Boden schicht, eine dichte Mittelschicht und eine grobe Oberschicht.

Wenn es gewünscht ist, können auch beide Verfahren (1) und (2) miteinander kombiniert werden. In jedem Fall ist es jedoch nötig, daß das Heizen und Pressen so geschieht, daß die Porosität vorherrschend ist und ein vollständiges Schmelzen der Metallteilchen verhindert wird, damit eine im gesamten gebundene starre und poröse Struktur entsteht. Die speziellen Herstellungsbedingungen hängen vom speziell verwendeten Metall ab, von der gewünschten Dicke der Platte (gewöhnlich 5-30 mm, vorzugsweise 10-20 mm), vom gewünschten Grad der Porosität usw. können aber leicht auf die jeweiligen An forderungen angepaßt werden. Das Aussehen einer erfindungs gemäß aufgebauten Platte kann ebenfalls variiert werden (z. B. eine Wellenform), indem das Aussehen der Form und der Presse entsprechend verändert werden.

Eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte gesinterte, poröse Metall platte hat sehr gute Schallabsorptions- und Vibrationsabsorptionseigenschaften und ist daher für solche Anwendungen, bei denen diese Eigenschaften gefordert werden, sehr nützlich, z. B. für Wärmeaustauscher, Filter, Schallabsorptions material, Vibrationsabsorptionsmaterial.

Die Erfindung soll an Hand der folgenden Beispiele noch weiter erklärt werden.

Beispiel 1

Verwendet wurde eine Vorrichtung, wie sie in Fig. 3 und 4 gezeigt ist. Die innere Fläche der Form betrug 4 × 20 cm, die Tiefe 5 cm. In diese Form wurden 3 kg eines in Späne geschnittenen, eine Teilchengröße zwischen 1,3-1,7 mm⌀ aufweisenden Gußeisens (FC-25) eingelegt, welches ca. 3,5% Kohlenstoff, ca. 2,5% Silizium und ca. 0,5% Mangan beinhaltete. Dann wurde das Material einem Druck ausgesetzt (100 N/cm²), bis sich ein anfänglicher Widerstandswert des eingebrachten Materials ein stellte, der im Bereich zwischen 2 × 10^-2 bis 1 × 10^-1 Ohm lag. Bei gleichzeitiger Messung der Temperatur über die Temperatur fühler 11 wurde dann ein elektrischer Strom über die zueinander gehörenden Elektrodenpaare (in diesem Fall 9 Paare mit 9 Elek troden) durch das Material geschickt, wobei der Stromfluß solange vergrößert wurde (1-3200 A), bis das gesamte Metall material eine konstante Temperatur von ca. 727°C in 3 Minuten erreicht hatte. Danach wurde der Preß vorgang gestoppt und die Temperatur des gesamten Materials weiter bis auf 1050°C in 4 Minuten hochgeheizt, wonach der Stromfluß unterbrochen wurde und das Metallmaterial von der Presse P mit einem Druck von 300 N/cm² zur kompletten Sinterung zusammengedrückt wurde.

Eine Heiz- oder Kühleinrichtung war in diesem Falle weder an der Presse noch am Bodenblock 8 vorgesehen. Die ge sinterte, poröse Platte (200 × 400 × 10 mm) erhielt dadurch eine Grob-Dicht-Grobschichtstruktur, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist und ihre Biegefestigkeit betrug 4,5 N/mm². Die Schallabsorptions eigenschaften dieser Platte verhielten sich so, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Jede der Grobschichten hatte eine Dicke von ca. 3 mm und eine Porosität von ca. 50%, während die mittlere Schicht eine Dicke von ca. 4 mm und eine Porosität von ungefähr 40% aufwies.

Beispiel 2

Das Vorgehen wie im Beispiel 1 wurde wiederholt mit der Aus nahme, daß ein elektrisches Heizelement (nicht gezeigt) so wohl in der Presse P als auch am Bodenblock 8 der Form einge bracht war, wodurch das Metallmaterial in direktem Kontakt mit der Fläche, zum einen mit der Presse P und zum anderen mit dem Bodenblock 8, auf eine Temperatur von 1100°C zur Zeit der Sinterung aufgeheizt wurde. Die dadurch hergestellte poröse Platte (200 × 400 × 10 mm) hatte eine dreischichtige Struktur mit zwei außenliegenden dichten Schichten und in der Mitte einer groben Schicht. Die Biegefestigkeit dieser Platte betrug 78,8 N/mm².

Beispiel 3

In dieselbe Form, wie sie beim Beispiel 1 verwendet wurde, wurden 1,5 kg Späne (1,3-1,7 mm⌀) einer Aluminiumlegierung (Silizium 27%) eingebracht. Das Material wurde von einer Presse P gepreßt (10-150 N/cm²), wodurch sich ein anfänglicher Widerstandswert des eingebrachten Materials in einem Bereich zwischen 2 × 10^-2 und 1 × 10^-1 Ohm einstellte. Der Stromdurchgang (1-3200 A) wurde 2 Minuten durch die Elektroden aufrechterhalten, um das Material so aufzuheizen, bis das Ganze eine konstante Temperatur von ca. 564°C erreicht hatte.

Während des Preßvorganges (10-150 N/cm²) und des Druck nachlassens - um die gewünschte Dicke von 10 mm des Metallmaterials zu erreichen - wurde die Temperatur auf 600°C in drei Minuten erhöht, wonach der Stromdurchgang unterbrochen wurde. Heizungen an der Presse P oder dem Bodenblock 8 der Form waren in diesem Fall nicht vorge sehen. Die so hergestellte gesinterte poröse Metall platte (200 × 400 × 10 mm) hatte eine im gesamten starre Struktur von drei Schichten, und zwar einer Grob-Dicht- Grobschicht.

Beispiel 4

Die Vorgehensweise wie im Beispiel 1 wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß Gußeisenteilchen in drei Schichten (jede 1 kg) in die Form eingebracht wurden, wobei zuerst eine Schicht mit Teilchengrößen zwischen 1,3 bis 1,7 mm⌀, dann eine Mittel schicht mit Teilchengrößen von 0,7 bis 0,9 mm⌀ und eine obere Schicht mit Teilchengrößen zwischen 1,3 und 1,7 mm⌀ aufeinander gelegt wurden. So wurde eine gesinterte, poröse Metall platte (200 × 400 × 10 mm) erhalten, die eine dreischichtige Struktur aufwies, und zwar eine Grob-Dicht-Grobschicht struktur.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer gesinterten, porösen Me tallplatte aus Metallteilchen, welche direkt und insge samt miteinander durch Sintern verbunden sind, wobei die Platte eine poröse Struktur und einen Dichtegradienten in Richtung ih rer Dicke aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteile in eine mit feuerfesten Seitenwänden und feuerfestem Boden und mit Elektroden versehene Form eingefüllt werden und in der Form solange durch eine feuerfeste Presse unter Druck gesetzt werden, bis das Metallmaterial einen vorbestimmten elektrischen Anfangs widerstandswert aufweist, daß dann ein elektrischer Strom durch die Elektroden geschickt wird, dessen Stärke zur gleichmäßigen Aufheizung des Metallmaterials geregelt wird, und daß dann das gesamte Material bis zur Sintertemperatur zum Sintern aufgeheizt wird, wobei Metall teilchen verschiedener Metallteilchengrößen in mehreren Schichten in die Form eingelegt werden oder schicht weise in der Richtung der Dicke des Metallmaterials in der Form eine Temperaturdifferenz erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturdifferenz durch eine Heizvorrichtung oder eine Kühlvorrichtung, welche an der Presse oder am Boden der Form vorgesehen ist, hervorgerufen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wärmefühler in die Presse oder den Boden eingebracht werden, um die Temperatur in mehreren Bereichen des Metallmaterials in der Form zu messen, und daß entsprechend der so gemessenen Tempera turen der elektrische Strom, welcher durch die Elektroden fließt, so gesteuert wird, daß das gesamte Metallmaterial oder spezielle Schichten des Materials in der Form gleichmäßig auf geheizt werden können.