DE3816337A1 - Poroeser metallgegenstand, verfahren zur herstellung eines derartigen poroesen metallgegenstandes und verwendung eines solchen poroesen metallgegenstandes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen porösen Metallgegenstand aus Metallpartikeln, die mindestens entlang eines Teiles ihrer Oberfläche mit einer Schicht überzogen und unter Ausbildung eines mechanisch stabilen Körpers mit zwischen den Metallpartikeln befindlichen Poren miteinander verbunden sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen porösen Gegenstandes und Verwendungen eines solchen porösen Metallgegenstandes.

Aus der DE-OS 25 05 148 ist ein poröser Metallgegenstand aus Metallpartikeln bekannt, die mindestens entlang eines Teiles ihrer Oberfläche mit einer Schicht überzogen sind. Bei der die Metallpartikel überziehenden Schicht handelt es sich dort um einen Überzug aus einem Flußmittel, das dazu dient, die auf den Metallpartikeln befindliche Oxidschicht aufzubrechen. Dieses Aufbrechen der Oxidschicht der einzelnen Partikel mit Hilfe des Flußmittels erfolgt bei relativ hohen Temperaturen, wie sie beim Sintern dieses porösen Metallgegenstandes angewandt werden. Zum Sintern eines solchen porösen Metallgegenstandes sind demnach große Energiemengen erforderlich. Außerdem erfolgt die Sinterung dieser bekannten porösen Metallgegenstände insbes. in einer inerten Atmosphäre, so daß spezielle Sinteröfen erforderlich sind.

Ein Verfahren zur Herstellung hochporöser Körper aus sinterbaren Pulvern ist bspw. aus der DE 30 21 384 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Trägerkörper aus einem organischen oder aus einem anorganischen Werkstoff mit dem sinterbaren Pulver eingekrustet, wonach ein Sintervorgang folgt, bei dem der organische oder anorganische Werkstoff des Trägerkörpers entfernt werden kann. Auch bei diesem Verfahren sind zur Sinterung relativ hohe Temperaturen und somit große Energien erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen porösen Metallgegenstand der eingangs genannten Art zu schaffen, der zu seiner Herstellung keine wesentliche Energiemenge benötigt, und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen porösen Metallgegenstandes zur Verfügung zu stellen bzw. mindestens eine Verwendung für einen solchen porösen Metallgegenstand anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Überzugsschicht aus einem die Metallpartikel aneinander festlegenden Bindemittel besteht. Dabei kann das Bindemittel aus einem mindestens zwei Komponenten aufweisenden Reaktionskleber bestehen. Die mechanische Verbindung der Metallpartikel ist nach Ablauf der Reaktion des Reaktions­ klebers gegeben, wobei ein poröser Metallgegenstand entsteht. Die mindestens zwei Komponenten des Reaktionsklebers werden dabei vorzugsweise derartig ausgewählt, daß ein Reaktionsablauf des Reaktionsklebers nach dem Zusammenbringen der mindestens zwei Komponenten bei normaler Zimmertemperatur oder gegebenenfalls bei etwas erhöhter Temperatur innerhalb einer bestimmten gewünschten Zeitspanne gegeben ist. Selbstverständlich kann der Reaktionskleber auch mehr als zwei Komponenten aufweisen. Bei diesen Komponenten handelt es sich bspw. um eine erste Komponente, die den Grundstoff des Reaktionsklebers bildet, um eine zweite, den Härter bildenden Komponente, um eine dritte, einen Beschleuniger bildenden Komponente sowie gegebenenfalls um weitere an sich bekannten Komponenten eines solchen mehrkomponentigen Reaktionsklebers. Bei Verwendung eines mindestens zwei Komponenten aufweisenden Reaktionsklebers ergibt sich der Vorteil, daß die mechanisch feste Verbindung der Metallpartikel nicht durch die Anwendung einer relativ hohen Temperatur, wie sie beim an sich bekannten Metallpulversintern erforderlich ist, durchgeführt wird, sondern durch den Reaktionsablauf des Reaktionsklebers. Auf diese Weise ist es möglich, beliebige Metallpartikel miteinander fest zu verbinden, um einen mechanisch stabilen Körper beliebiger Form auszubilden. Es ist also nicht mehr erforderlich, einen bei relativ hohen Temperaturen ablaufenden Sinterprozeß durchzuführen, sondern es genügt, die Metallpartikel mit einem Reaktionskleber zu vermischen und das so vorbereitete Gemisch aus Metallpartikeln und Reaktionskleber in eine bestimmte Form einzubringen, um den gewünschten Körper herzustellen.

Bei den Metallpartikeln kann es sich um Partikel eines bestimmten Metalls handeln. Das kann ein beliebiges Metall sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, daß der poröse Metallgegenstand aus Partikeln unterschiedlicher Metalle und/oder Metallegierungen besteht. Desweiteren ist es möglich, daß der poröse Metallgegenstand bspw. einen Kern aus mittels eines Reaktionsklebers miteinander fest verbundener Metallpartikel und einer äußeren Lage oder Beschichtung aus einem beliebigen anderen Material zusammengesetzt ist. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, daß die Metallpartikel aus mindestens einem Nichteisen­ metall sind. Dabei kann es sich bspw. um Kupfer, Magnesium, Blei, Zink und deren Legierungen handeln. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, daß die Metallpartikel aus Aluminium sind. Selbstverständlich sind auch Legierungen aus Aluminium mit beliebigen anderen Metallen bzw. insbes. mit an sich bekannten Nichteisenmetallen möglich. Es ist bekannt, daß reines Aluminiumpulver sinterträge ist. Das resultiert daraus, daß Aluminiumpulver eine dichte Oxidhaut besitzt, welche selbst bei hohen Temperaturen, wie sie zum Sintern des Aluminiumpulvers erforderlich sind, und die nur geringfügig unter der Schmelztemperatur des Aluminiums liegen, ein Zusammensintern der Aluminiumpartikel zumindest erschwert. Deshalb ist es nur unter erschwerten Bedingungen möglich, mit Aluminium­ partikeln einen porösen Sintergegenstand mit einer guten mechanischen Festigkeit herzustellen. Eine solche gute mechanische Festigkeit wird erst durch das Zumischen anderer Metallpartikel zu den Aluminiumpartikeln möglich. Bei diesen anderen Metallpartikeln handelt es sich bspw. um Partikel aus Kupfer, Magnesium, Silizium oder Legierungen dieser Metalle. Außerdem ist es zur Erzielung einer ausreichenden mechanischen Festigkeit eines porösen Sintergegenstandes aus Aluminium erforderlich, die zu sinternden Partikel in einer dem Sinterkörper entsprechenden Form einem hohen Druck auszusetzen. Während des sich an diesen Preßvorgang anschließenden, bei entsprechend hohen Temperaturen stattfindenden Sintervorgangs treten an den Partikeln Flüssigphasen auf, die zur Versinterung der Aluminiumpartikel führen. Es ist jedoch problematisch, Aluminiumpartikel einer relativ engen Kornklasse mit den für den Sintervorgang erforderlichen Legierungspartikeln so innig zu vermischen, daß ein Versintern der Partikel zu einem porösen Sintergegenstand ausreichender mechanischer Festigkeit ohne vorherige Verdichtung der Partikel, d.h. durch ein sog. Schüttsintern möglich wäre. Im Vergleich dazu ist es erfindungsgemäß erstmals möglich, unabhängig vom Oberflächenzustand der Metallpartikel und unabhängig von der vom Oberflächen­ zustand abhängigen Sinteraktivität der Metallpartikel poröse Metallgegenstände mit einer guten mechanischen Festigkeit und einer gewünschten Porosität herzustellen.

Die Metallpartikel weisen vorzugsweise eine Partikelgröße zwischen 20 µm und 5 mm auf. Die Gestalt der Metallpartikel kann kugelförmig, spratzig, dentritisch, plättchenförmig oder beliebig anders sein. Das Verhältnis des Anteils der Metallpartikel zum Anteil des Reaktionsklebers liegt vorzugsweise zwischen 99:1 bis 80:20 Gew.-%. Dieses Verhältnis ist nicht nur von der mittleren Korngröße der Metallpartikel, sondern auch davon abhängig, welche Porosität der Metallgegenstand aufweisen soll.

Es ist möglich, daß die Partikelgröße der Metallpartikel nur innerhalb eines engen Bereiches variiert, d.h.innerhalb einer engen Kornklasse liegt. Es ist jedoch wahlweise auch möglich, daß die Größe der Metallpartikel in einem weiten Korngrößenbereich liegt. Durch Verwendung von Metallpartikeln, die in zwei oder mehr voneinander verschiedenen Kornfraktionen vorliegen, d.h. die in unterschiedlichen Korngrößenbereichen liegen, ist es möglich, poröse Metallgegenstände herzustellen, die wunschgemäß an verschiedenen Bereichen des Gegenstandes unterschiedliche Porositäten besitzen.

Bei dem Verfahren zur Herstellung eines derartigen porösen Metallgegenstandes, bei welchem Metallpartikel mit einem die Oberfläche der Metallpartikel benetzenden Material vermischt werden und die auf diese Weise benetzten Metallpartikel in eine den porösen Metallgegenständen entsprechende Form eingebracht werden, werden die Metallpartikel mit einem Bindemittel vermischt, wobei das Bindemittel die Metallpartikel oberflächlich mindestens teilweise in einer dünnen Schicht bedeckt, wonach die mit dem Bindemittel benetzten Metallpartikel in die dem porösen Metallgegenstand entsprechende Form eingebracht werden. Als Bindemittel wird vorzugsweise ein mindestens zwei Komponenten aufweisender Reaktionskleber verwendet, der vorzugsweise in flüssiger Form vorliegt. Dadurch ist es einfach möglich, die Metallpartikel mit dem Reaktions­ kleber gut zu vermischen. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn ein dünnflüssiger Reaktionskleber zur Anwendung gelangt, weil dann die einzelnen Metallpartikel nur mit einer sehr dünnen Bindemittel- bzw. Kleberschicht benetzt werden, so daß die Porosität des hergestellten Metallgegenstandes nicht beeinträchtigt wird.

Vorzugsweise werden Metallpartikel aus einem Nichteisenmetall mit dem Reaktionskleber vermischt. Als Nichteisenmetalle kommen Kupfer, Magnesium, Blei, Zink u.dgl., bzw. deren Legierungen zur Anwendung. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, daß Metallpartikel aus Aluminium mit dem Reaktionskleber vermischt werden.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können Metallpartikel beliebiger Gestalt mit dem Reaktionskleber vermischt werden, wobei die Metallpartikel vorzugsweise eine Partikelgröße zwischen 20 µm und 5 mm aufweisen. Dabei ist es möglich, daß die Metallpartikel innerhalb eines relativ engen Korngrößenbereiches eine konstante Größe besitzen, es ist jedoch auch möglich, daß die Metallpartikel Korngrößen innerhalb eines vergleichsweise weiten Korngrößenbereiches aufweisen bzw. in voneinander verschiedenen Korngrößenbereichen, d.h. Kornfraktionen liegen. Durch geeignete Wahl der Partikelgröße ist es einfach möglich, die Porosität des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Metallgegenstandes wunschgemäß einzustellen.

Den Metallpartikeln wird der Reaktionskleber vorzugsweise in einem Verhältnis von 99:1 bis 80:20 Gew.-% zugemischt. Das Verhältnis zwischen Metallpartikeln und Reaktionskleber ist u.a. von der mittleren Korngröße der Metallpartikel, von der Korngrößenverteilung der Metallpartikel und von der gewünschten Porosität des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Metallgegenstandes abhängig.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist derart ausführbar, daß den Metallpartikeln die mindestens zwei Komponenten des Reaktionsklebers gleichzeitig zugemischt werden. Es ist jedoch auch möglich, daß den Metallpartikeln die mindestens zwei Komponenten des Reaktionsklebers nacheinander zugemischt werden. Die Vorgehensweise der Zumischung der Komponenten des Reaktionsklebers zu den Metallpartikeln ist insbes.von dem speziellen zur Anwendung gelangenden Reaktionskleber bzw. von dessen Komponenten abhängig.

Die Reaktion des Reaktionsklebers kann in der dem porösen Metallgegenstand entsprechenden Form bei normaler Umgebungstemperatur oder bei erhöhter Temperatur bzw. bei normalem Luftdruck oder bei erhöhtem Druck durchgeführt werden. Unabhängig davon, ob die Reaktion bei normaler Umgebungstemperatur oder bei erhöhter Temperatur bzw. bei normalem Luftdruck oder bei erhöhtem Druck durchgeführt wird, ist es zweckmäßig, die Form unmittelbar nach dem Einbringen der mit dem Reaktionskleber vermischten Metallpartikel in die dem herzustellenden porösen Metallgegenstand entsprechende Form zu rütteln, um eine bestimmte Verdichtung der Metallpartikel zu bewerkstelligen und somit unerwünschte Hohlräume im porösen Metallgegenstand zu vermeiden. Das ist insbes. dann vorteilhaft, wenn ein derartiger erfindungsgemäßer poröser Metallgegenstand als Filterelement oder als Wärmetauscherelement verwendet wird. Bei einem Filterelement der zuletzt genannten Art kann es sich um ein sog. Aerosolfilter handeln. Es ist jedoch auch möglich, ein solches Filterelement als Chemisorbtionsfilter anzuwenden, wenn entsprechende Metallpartikel bzw. wenn entsprechend beschichtete Metallpartikel zur Anwendung gelangen.

Erfindungsgemäß kann der poröse Metallgegenstand auch als in einer Recycling-Anlage anwendbarer wiederaufschmelz­ barer Körper verwendet werden. Das ist insbesondere bei dem Wiederaufschmelzen von Aluminiumpartikeln vorteilhaft. Aluminiumpartikel können nämlich nur in einer in eine kompakte Form gebrachten Gestalt wiederaufgeschmolzen werden. Es ist nicht möglich, derartige Aluminiumpartikel selbst, d.h. unmittelbar wieder aufzuschmelzen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen porösen Metallgegenstandes. Es zeigt:

Fig. 1 eine Ansicht eines porösen Metallgegenstandes von der Seite, und

Fig. 2 eine stark vergrößerte Darstellung des Details II aus Fig. 1 im Schnitt.

Fig. 1 zeigt in einer Seitenansicht einen porösen Metallgegenstand 10 aus Metallpartikeln 12, die in Fig. 2 stark vergrößert dargestellt sind. Die Metallpartikel 12 sind mindestens auf einem Teil ihrer Oberfläche mit einer Schicht 14 überzogen, die aus einem mindestens zwei Komponenten aufweisenden Reaktionskleber besteht. Ein Teil der in Fig. 2 dargestellten Metallpartikel 12 sind voneinander durch die Schicht 14 beabstandet und gleich­ zeitig miteinander mechanisch fest verbunden. Ein anderer Teil der Metallpartikel 12 ist ebenfalls mit dem Reaktionskleber 14 beschichtet, wobei die Metallpartikel 12 jedoch entlang gemeinsamer Berührungsflächen 16 unmittelbar aneinander anliegen. Mit der Bezugsziffer 18 sind Poren des Metallgegenstandes 10 bezeichnet.

Nachfolgend wird ein bei einem porösen Metallgegenstand der oben beschriebenen Art zur Anwendung gelangendes Bindemittel, bzw. das Mischungsverhältnis zur Herstellung eines porösen Aluminiumgegenstandes beschrieben. Bei diesem Bindemittel handelt es sich um ein sog. Alpha-Bind- System der Fa. Frankonia, Nürnberg. Dieses Alpha-Bind- System hat eine Polyurethan-Basis und besteht aus den beiden Komponenten A-Alpha 6 und B-FR 13. Die Vernetzung der Komponenten erfolgt durch Polyaddition von Diisocyanaten oder von Polyisocyanaten an Diolen z.B. Polyether-Polyole oder Naturstoffen wie Stärke oder Diaminen. Die Viskosität der Komponente A-Alpha 6 beträgt 38 Sekunden und die Viskosität der Komponente B-FR 13 beträgt 36 Sekunden (gemessen nach DIN-Becher 4 mm Durchmesser). Die beiden Komponenten werden im Verhältnis 1:1 gemischt. Anschließend erfolgt eine Mischung zwischen den Aluminiumpartikeln und dem Binder, wobei ein Kilogramm Aluminium-Grieß mit 1-2 Gew.-% Binder, d.h. mit 10-20 g Binder innig gemischt wird. Diese Mischung erfolgt mit Hilfe eines Zwangsmischers während einer Zeitspanne von ca. 60 Sekunden. Die so vorbereiteten Aluminiumpartikel werden dann in eine Form eingebracht, in der sie größenordnungsmäßig während einer Zeitdauer von 3 bis 4 Minuten verbleiben. Danach kann der poröse und mechanisch feste Metallgegenstand aus der Form entnommen werden.

Claims (18)

1. Poröser Metallgegenstand aus Metallpartikeln (12), die mindestens auf einem Teil ihrer Oberfläche mit einer dünnen Schicht (14) überzogen und unter Ausbildung eines mechanisch stabilen Körpers mit zwischen den Metallpartikeln (12) befindlichen Poren (18) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Überzugsschicht (14) aus einem die Metallpartikel (12) aneinander festlegenden Bindemittel besteht.

2. Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel aus einem mindestens zwei Komponenten aufweisenden Reaktionskleber besteht.

3. Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallpartikel (12) aus mindestens einem Nichteisenmetall sind.

4. Gegenstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallpartikel (12) aus Aluminium sind.

5. Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallpartikel (12) eine Partikelgröße zwischen 20 µm und 5 mm aufweisen.

6. Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Anteils der Metallpartikel (12) zum Anteil des Reaktionsklebers zwischen 99:1 bis 80:20 Gew.-% liegt.

7. Verfahren zur Herstellung eines porösen Metallgegen­ standes (10), wobei Metallpartikel (12) mit einem die Oberfläche der Metallpartikel (12) benetzenden Material vermischt werden und die auf diese Weise benetzten Metallpartikel (12) in eine dem porösen Metallgegenstand (10) entsprechende Form eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallpartikel (12) mit einem Bindemittel vermischt werden, wobei das Bindemittel die Metallpartikel (12) oberflächlich mindestens teilweise in einer dünnen Schicht bedeckt, und daß die mit dem Bindemittel benetzten Metallpartikel (12) anschließend in die dem porösen Metallgegenstand (10) entsprechende Form eingebracht werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel ein mindestens zwei Komponenten aufweisender Reaktionskleber verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Metallpartikel (12) aus einem Nichteisenmetall mit dem Reaktionskleber vermischt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Metallpartikel (12) aus Aluminium mit dem Reaktionskleber vermischt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Metallpartikel (12) mit dem Reaktionskleber vermischt werden, die eine Partikelgröße zwischen 20 µm und 5 mm aufweisen.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß den Metallpartikeln (12) der Reaktionskleber in einem Verhältnis von 99:1 bis 80:20 Gew.-% zugemischt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß den Metallpartikeln (12) die mindestens zwei Komponenten des Reaktionsklebers gleichzeitig zugemischt werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß den Metallpartikeln (12) die mindestens zwei Komponenten des Reaktionsklebers nacheinander zugemischt werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion des Reaktionsklebers in der dem porösen Metallgegenstand (10) entsprechenden Form bei normaler Umgebungstemperatur oder bei erhöhter Temperatur bzw. bei normalem Luftdruck oder bei erhöhtem Druck durchgeführt wird.

16. Verwendung eines porösen Metallgegenstandes (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Filterelement.

17. Verwendung eines porösen Metallgegenstandes (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Wärmetauscherelement.

18. Verwendung eines porösen Metallgegenstandes (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als in einer Recycling- Anlage anwendbarer wiederaufschmelzbarer Körper.