DE3809345A1 - Verfahren zur herstellung von poroesen bauteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Her­ stellung poröser Bauteile aus Aluminiumpulver oder -gries nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Aus Metallpulver gefertigte, poröse Bauteile finden im Bereich der Filterung, der Wärmeübertragung, der Schall­ dämmung sowie als wartungsfreie Gleitlager vielfach Verwendung, üblicherweise werden solche Bauteile aus Bronze- oder Edelstahlpulver hergestellt. Nachteilig sind hier die hohen Dichten der verwendeten Materialien, die zu einem hohen Gewicht solcher Bauteile führen sowie der daraus resultierende hohe Preis pro Volumeneinheit.

Man ist deshalb schon dazu übergegangen, Aluminiumpulver einzusetzen, das neben ansonsten vergleichbaren Stoff­ daten eine wesentlich bessere Wärmeleitfähigkeit auf­ weist.

Hier besteht jedoch das Problem, daß jedes mit Normal­ atmosphäre kontaktierte Aluminiumpulver eine Oxidschicht auf den Aluminiumpartikeln aufweist, deren Schmelz- oder Fließtemperatur wesentlich oberhalb der entsprechenden Temperatur des Aluminiums oder einer Aluminiumlegierung liegt. Um hier Abhilfe zu schaffen, ist schon vorge­ schlagen worden, Zweikomponentensysteme anzuwenden, also dem Aluminiumpulver Zuschlagstoffe beizumischen, die verdichtet und während oder nach der Sinterung ausge­ dampft oder auf chemischem Wege eliminiert werden. Die hierbei entstehenden Hohlräume bilden den porösen Volumenanteil. Derart gesinterte Bauteile haben jedoch den Nachteil, daß man weder durchgängige Kanäle und somit die gewünschte Durchströmbarkeit, noch einen einheitlichen Porendurchmesser bestimmter Bandbreite erhält. Deshalb eignen sich diese Bauteile nicht zum Einsatz in der Filtertechnik.

Aus der JP-A 61-1 74 353 ist es bekannt, Aluminiumpulver mit anderen Zuschlagstoffen in Pulverform vor dem Sintern zu vermischen. Hierbei werden neben Aluminium­ pulver einer nicht beschriebenen Qualität Zuschlags­ stoffe wie Kupfer, Mangan, Magnesium und Silicium in ebenfalls nicht beschriebenen Mangenverhältnissen beigefügt, wobei immer vom Zusatz von mindestens zwei dieser Stoffe ausgegangen wird. Weiterhin fehlen Angaben über Sintertemperaturen und Sinterzeiten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sinter­ verfahren für aus Aluminiumpulver hergestellte Bauteile bereitzustellen, das einfach und preiswert durchzuführen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich­ nenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst. Die Erfin­ dung beruht auf der Erkenntnis, daß nur ein einziger Zuschlagsstoff notwendig ist, wenn darauf geachtet wird, daß der Zuschlagsstoff sowie das Aluminiumpulver ein Eutektikum unterhalb der Schmelztemperatur des Alumi­ niums bilden können. Damit dann an der Luft oxidiertes Aluminiumpulver Verwendung finden, da durch den Zu­ schlagsstoff die Oxidhaut unwirksam gemacht werden kann, so daß eine feste Verbindung der Aluminiumkörper zu erzielen ist. Damit kann die Entfernung der Oxidschicht auf den Aluminiumkörnern entfallen. Man erhält somit einen metallischen Verbund durch Bildung eines Misch­ kristalls in Kontakt mit einem eutektischen Gefüge. Hierbei bleibt die Struktur der Pulverschichten, ins­ besondere deren Porösität erhalten.

Die Weiterbildung nach Anspruch 2 beschreibt ein bevor­ zugtes Material mit den Verfahrensparametern für den Zuschlagsstoff. Die Verwendung von Silicium als Zu­ schlagsstoff ist insbesondere vorteilhaft, da es durch die passivierende Oxidschicht bei Sintertemperatur dringen kann. Die Diffusion des Siliciums kann weiterhin dadurch unterstützt werden, daß die Vermischung der beiden Komponenten, z. B. in einer Kugelmühle in nicht oxidierender Atmosphäre durchgeführt wird, wodurch mechanische Bruchstellen in der Oxidschicht erzielt und erhalten werden (Anspruch 3).

Die einzustellende Sintertemperatur hängt ab von dem Siliciumanteil im Aluminium sowie der Menge des Zu­ schlagsstoffes. Auch die Morphologie und die Sieblinie des Pulvers, durch die Kontaktfläche bestimmt wird, ist zu berücksichtigen. Durch Variierung der Temperatur steigt oder fällt der Anteil der flüssigen Phase, so daß auf diese Weise der Porendurchmesser des herzustellenden Bauteils beeinflußt werden kann.

Die Oxidschicht des Aluminiumpulvers kann also gemäß der Erfindung von dem Zuschlagsstoff Silicium auf verschie­ dene Arten im wesentlichen aufgebrochen werden. Der erste Weg liegt bei der nach Anspruch 2 angegebenen Temperatur in der Fähigkeit des Siliciums, durch die Oxidschicht zu diffundieren und damit in Kontakt zu dem Aluminium zu gelangen. Der zweite Weg besteht in dem unmittelbaren Kontakt des Siliciums mit dem Aluminium durch Bruchstellen in der Oxidschicht bzw. durch mecha­ nischen Druck. Dies wird insbesondere durch das Ver­ mischen der beiden Komponenten in einer Kugelmühle unterstützt, wie Anspruch 3 lehrt. Der dritte Weg besteht in dem durch die beiden ersten Wege hervor­ gerufenen Entstehen von Schmelzprozessen auf der Ober­ fläche des Aluminiums und der damit verbundenen Ablösung der Oxidschicht. Die eigentliche Versinterung erfolgt dann durch ein Aluminium-Silicium-Schmelzen auf der Oberfläche bzw. dem oberflächennahen Bereich der Alu­ miniumpartikel mit anschließendem Erstarren (Kristal­ lisation) beim Abkühlen und homogener Verbindung der Kontaktflächen. Die Verbindung zwischen den Aluminium­ teilchen und den erstarrten Schmelzen ist dann besonders gut, wenn sehr reines Aluminium versintert wird. Dies beruht in erster Linie auf der Mischkristallbildung des Siliciums mit dem Aluminium über Diffusions- und Kristallisationsprozesse, die zu kontinuierlichen Konzentrationsgradienten führen.

Kontinuierliche Konzentrationsgradienten in den Kon­ taktbereichen sind nicht mehr zu verwirklichen, wenn der Gesamtsiliciumanteil bei Silicium als Zuschlagswerkstoff und dem Siliciumlegierungsanteil in dem Aluminiumaus­ gangswerkstoff 12 Gewichtsprozent übersteigt.

Die nicht oxidierende Ofenatmosphäre kann nach einer Weiterbildung (Anspruch 4) der Erfindung durch ein Schutzgas erreicht werden. Dadurch wird die Wirtschaft­ lichkeit des Verfahrens erhöht, da die Ofenaufheizzeiten in Argonatmosphäre wesentlich kürzer sind als z. B. in einem Vakuumofen, da bei der Argonatmosphäre eine Wärmeübertragung durch Strahlung und Konvektion wirksam werden kann.

Die Weiterbildung nach Anspruch 5 beschreibt eine weitere Einsatzmöglichkeit des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens. Dadurch können komplette Bauteile aus massiven Metalleinheiten und porös gesintertem Aluminiumpulver hergestellt werden. Hier wird der metallische Verbund durch die Bildung von Mischkristallen im Grenzschicht­ bereich erzielt. Dies ist beispielsweise bei der Her­ stellung von Wärmetauschern zwecks besserer Wärmeab­ leitung günstig. Hierbei ist darauf zu achten, daß der verwendete Zuschlagsstoff sowohl mit dem Aluminiumpulver als auch mit dem Bauteilmaterial einen Mischkristall bzw. ein Eutektikum bilden kann.

Ein geeignetes Material hierfür beschreibt Anspruch 6. Hierbei sind dann die bereits für das Aluminiumpulver geschilderten Grenzwerte hinsichtlich der zulässigen Zuschlagsstoffe zu berücksichtigen. Durch die Verwendung unvergüteter Aluminiumbauteile kann die sonst bei handelsüblichen Aluminium auftretende Versprödung aufgrund der Sintertemperaturen verhindert werden. Die Vergütung findet hierbei während des Sinterprozesses statt, so daß die aus der Ofenanlage gelangenden Bau­ teile handelsüblicher Ware entsprechen und somit neben der Eigenschaft, einen metallischen Verbund mit dem porösen Bauteil aufzuweisen, ansonsten normale Werk­ stoffeigenschaften haben.

Im folgenden wird ein Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.

Beispiel

Es wurde Aluminiumpulver mit einem Reinaluminiumanteil von 99,9%, einer glatten Oberfläche und einer Korngröße von 200-500 µm mit einem Siliciumanteil von 5 Ge­ wichtsprozenten gemischt. Dieses Gemisch wurde einer Sintertemperatur von 600°C fünf Minuten ausgesetzt. Die fünf Minuten Haltezeit beziehen sich auf einen auf 600°C vorgeheizten Ofen. Es wurden formstabile Sinterkörper erzielt.

Allgemein kann festgehalten werden, daß mit höherem Siliciumanteil in der Aluminiumlegierung die Sintertem­ peratur steigen muß, da durch die bereits vorliegende Sättigung Diffusionsvorgänge behindert werden. Anderer­ seits kann bei reinem Aluminium durch Erhöhung des Siliciumanteils als Zuschlagsstoff die Sintertemperatur erniedrigt werden.

Claims (6)

1. Verfahren zum Herstellen poröser Bauteile aus unbehandeltem, oxidiertem Aluminiumpulver oder -gries durch Sintern, dadurch gekennzeichnet, daß dem Aluminiumpulver oder -gries ein Zuschlagstoff beigemischt wird, der in einer nicht oxidierenden Ofenatmosphäre bei Sintertemperaturen einen Mischkristall bzw. ein Eutektikum mit dem Aluminium, unterhalb der Schmelztemperatur des Aluminiums, bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumaus­ gangsmaterial eine Aluminiumlegierung aus Rein­ aluminiumanteilen größer 96% und Siliciumanteilen kleiner 0,5% ist, daß als Zuschlagsstoff ge­ pulvertes Silicium von 0,5-5 Gewichtsprozenten als Dispersion beigemischt wird und daß abhängig von der gewählten Aluminiumpulverfraktion eine Sintertemperatur zwischen 577° und 650°C einge­ stellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumaus­ gangsmaterial und der Zuschlagstoff in einer Kugelmühle in nicht oxidierender Atmosphäre ge­ mischt werden.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der nicht oxidierenden Ofenatmosphäre Argon als Schutzgas verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während des Sintervor­ ganges das zu versinternde Pulvermaterial mit einem Bauteil in Kontakt gelangt, dessen chemische Beschaffenheit eine Reaktion an seiner Oberfläche im Bereich der Sintertemperatur erlaubt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil aus unver­ gütetem Aluminium besteht.