DE4013320C2 - Verfahren zur Herstellung von ultrafeinen Metallpulvern - Google Patents

Description

Pulver aus metallischen Partikeln werden zur pulvermetallurgischen Herstellung von Bauteilen, Werkstoffen oder zur Oberflächenbeschichtung eingesetzt. Die üblichen Herstellungsverfahren der Metallpulver bestehen in der Gas- oder Wasserverdüsung, der mechanischen Zerkleinerung oder durch chemische oder elektrochemische Abscheidung.

Die bekannten Verfahren zur Herstellung von Metallpulvern weisen verschiedene Nachteile auf. So zeigen verdüste Metallpulver eine irreguläre spratzige Oberfläche, welche insbesondere auch einen hohen Gehalt an Oberflächenverunreinigungen besitzt, beispielsweise durch die Bildung störender Oxide. Eine mechanische Zerkleinerung hingegen ist nur bei härteren Metallen möglich. Auch die chemische und elektrochemische Abscheidung führt nur zu Pulverteilchen mit irregulärer Oberfläche. Ein weiterer Nachteil ist allen bekannten Verfahren gemeinsam, nämlich daß die Untergrenze der Korngröße des Metallpulvers im Bereich von 0,1 bis 1 µm liegt. Die genannten Nachteile schränken den pulvermetallurgischen Einsatz der bisher bekannten Metallpulver erheblich ein.

Faserverbundwerkstoffe sind Werkstoffe, bei denen metallische oder nichtmetallische kontinuierliche oder diskontinuierliche Fasern unidirektional oder regellos in eine metallische oder nichtmetallische Matrix eingebettet sind. Die größere Bedeutung hat hierbei die unidirektionale Einlagerung der Fasern. Die dadurch bedingte Anisotropie der Eigenschaften läßt die Anwendung dieser Werkstoffe in solchen Fällen sinnvoll erscheinen, in denen eine gerichtete Beanspruchung vorliegt. Zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen wird häufig auch von Metallpulvern als Ausgangsmaterial ausgegangen.

Die festigkeitssteigernde Wirkung von eingelagerten Teilchen bewirkt eine Behinderung der Versetzungsbewegung, während die meist hochfesten Fasern im faserverstärkten Werkstoff einen Teil der äußeren Spannung übernehmen. Auf diesen beiden Mechanismen beruht im wesentlichen der Effekt der Faserverstärkung ("Metallische Verbundwerkstoffe", Allgemeine Elektrizitäts- Gesellschaft AEG-Telefunken, 1977, Seiten 130 bis 185).

Bei z. B. Silber-Nickel-Faserverbundwerkstoffen ist bekannt, daß sie bei höherer Temperatur eine Gefügeinstabilität aufweisen ("Metallwissenschaft und Technik", 34. Jahrgang, Heft 7, 1980, Selten 617 bis 621). Diese thermische Instabilität besteht darin, daß bei einem Silber-Nickel- Faserverbundstoff mit einem mittleren Phasendurchmesser von 0,5 µm im Temperaturbereich von 500 bis 925°C der Zerfall einzelner Fasern und damit eine Vergröberung des Gefüges festgestellt wird. Diese thermische Instabilität wird im wesentlichen dadurch bedingt, daß eine Oberflächen- oder Volumendiffusion der beiden Komponenten Silber und Nickel stattfindet, was zu einer Abschnürung von Fasern und damit zu einem Zerfall des Gefüges führt.

Dem Anmeldungsgegenstand liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung sehr feiner Metallpulver mit glatter Oberfläche und einem geringen Anteil von Oberflächenverunreinigungen verfügbar zu machen, wobei auch eine Herstellung in technischem Maßstab angestrebt wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch folgende Verfahrensschritte gelöst:

• a) Herstellen eines Verbundkörpers aus einem oder mehreren Metallen als Matrix, worin metallische Fasern weitgehend gerichtet eingelagert sind;
• b) Verformen des Verbundkörpers zu Drähten, Blechen oder Folien, wobei die Fasern etwa in gleichem Maße wie der gesamte Verbundkörper verformt werden;
• c) Wärmebehandeln des Verbundkörpers bei einer derart gewählten Temperatur, daß eine Interdiffusion zwischen den Komponenten des Verbunds stattfindet, so daß eine Einformung des Fasermaterials zu Sphäroliten stattfindet, und
• d) selektives Ablösen des Matrixmaterials mittels chemischer oder elektrochemischer Verfahren.
• d) selektives Ablösen des Matrixmetalls mittels chemischer oder elektro­ chemischer Verfahren.

Mit diesem Verfahren lassen sich relativ große Mengen von ultrafeinen, annähernd sphärolitischen Metallpulvern aus einer Vielzahl von Metallen oder Legierungen herstellen, die insbesondere gegenüber verdüsten Pulvern eine verbesserte Reinheit aufweisen. Die Metallteilchen sind auch weitgehend frei von Oberflächenverunreinigungen. Mit dem Verfahren lassen sich Partikeldurchmesser bis zu 10^-8 m erzeugen, wobei die Korngröße mit relativ hoher Genauigkeit eingestellt werden kann.

Besonders vorteilhaft ist die Anwendung der nach dem Verfahren hergestellten ultrafeinen Metallpulver bei Korngrößen von 10 bis 100 nm in dem Zusammenhang mit dem SIMIT-Effekt (Size Induced Metal Insulator Transition) zu sehen ("Physics Letters", Band 114A, 1986, Seiten 39 bis 42). Der SIMIT- Effekt besteht darin, daß sogenannte mesoskopische Teilchen erzeugt werden, deren elektrischer Widerstand mit abnehmender Teilchengröße so weit zunimmt, bis sie schließlich zu Isolatoren werden. Ein derartiger Werkstoff ist zur Erzeugung von Leitstrukturen auf einer Leiterplatte, einem Keramiksubstrat oder auf sogenannten Mikrochips geeignet.

Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das Wesen der Erfindung soll anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.

Zur Herstellung des Verbundkörpers dienen die bekannten Verfahren. Besonders geeignet im Zusammenhang mit dem anmeldungsgemäßen Verfahren ist das sogenannte Manteldraht-Verfahren, bei dem ein Manteldraht erzeugt wird, dessen Kern aus einem Faserwerkstoff und dessen Mantel aus einem Matrixwerkstoff besteht.

Mantel und Kern werden miteinander durch Drahtziehen oder Strangpressen verpreßt, wobei ein Verpressen eines Bündels derartig vorgeformter Manteldrähte dann zu einem verschweißten Verbundkörper führt, der aus mehreren Fasern besteht, die kontinuierlich in eine Matrix, die aus dem Mantelwerkstoff besteht, eingelagert ist. Die letztere Variante wird auch als Verbundstrangpressen oder Wiederholungsstrangpressen bezeichnet. Der Verbundkörper läßt sich auch durch Stranggießen herstellen, wobei kurze Fasern in dem Matrixmaterial unidirektional umorientiert werden. Schließlich ist es auch noch besonders günstig, den Verbundkörper durch gerichtete Erstarrung aus einer eutektischen Legierung herzustellen. Durch geeignete Wärmeableitung von der Schmelze zu dem erstarrten Material kann dann erreicht werden, daß eine Phase der Legierung unidirektional sich in dem übrigen Matrixmaterial ausbildet.

Die Weiterverformung kann auch nach bekannten Verfahren erfolgen, beispielsweise durch Walzen, Profilwalzen, Schmieden, Hämmern oder Ziehen zu Drähten, Blechen oder Folien.

Bei der Wärmebehandlung ist die Temperatur so hoch zu wählen, daß eine merkliche Interdiffusion zwischen den Komponenten des Verbundes stattfindet. Die dadurch auftretende thermische Instabilität führt zu einem Faserzerfall der Faserbruchstücke. Allgemein läßt sich sagen, daß der Faserzerfall umso schneller erfolgt, je höher die Temperatur bei der Weiterbehandlung ist.

Das selektive Ablösen der Umhüllung bzw. des Matrixmaterials erfolgt durch chemische oder elektrochemische Verfahren. Die verwendeten Mittel sind in Abhängigkeit von dem abzulösenden Material auszuwählen.

Im folgenden soll noch ein Ausführungsbeispiel erläutert werden, bei dem als Ausgangsmaterial ein Faserverbundstoff aus Silber-Nickel (80/20) verwendet wurde. Als Ausgangsmaterial dienten Drähte mit einem Durchmesser von 0,1 mm, die nach dem Manteldrahtverfahren hergestellt wurden. Der Werkstoff hatte etwa 0,5×10⁶ Fasern im Querschnitt mit einem Faserdurchmesser von etwa 0,02 µm. Die weiterverarbeiteten Drähte wurden bei einer Temperatur von 700°C in einem Formiergas bei Zeiten von 2, 3, 5 und 15 Minuten geglüht. An ungeätzten Drähten ist die Ausbildung einer globolitischen Oberflächenstruktur erkennbar, die von Silberfasern ausgehen. Bei kurzer Glühdauer bilden sich an der Drahtoberfläche anhaftende Einzelkörner.

Diese formen sich nach längerer Zeit zu einer geglätteten und dichteren Silberoberfläche ein.

Durch die Abätzung des Silbers wird unter der Drahtoberfläche eine wesentlich feinkörnigere, ebenfalls globolititsche Struktur freigelegt. Hierzu wurde ein Ätzmittel mit folgender Zusammensetzung verwendet:

• 1) 1,1 g KCN oder NaCN 20 ml H₂O
• 2) 1,1 g (NH₄)₂ S₂O₈ 20 ml H₂O.

Zur Unterdrückung des Ätzangriffs auf das darzustellende Pulver kann ein Inhibitor zugegeben werden. Bei der Ätzlösung 1) z. B. K₂CrO₄. Bei einer Glühzeit von 2 bis 3,4 Min. werden Korngrößen mit einem Durchmesser von 0,2 bis 0,4 µm erhalten, während bei einer Glühzeit von 15 Min. sich eine Korngröße von 0,3 bis 0,6 µm ergab.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung von ultrafeinen Metallpulvern, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• a) Herstellen eines Verbundkörpers aus einem oder mehreren Metallen als Matrix, worin metallische Fasern weitgehend gerichtet eingelagert sind;
• b) Verformen des Verbundkörpers zu Drähten, Blechen oder Folien, wobei die Fasern etwa in gleichem Maße wie der gesamte Verbundkörper verformt werden;
• c) Wärmebehandeln des Verbundkörpers bei einer derart gewählten Temperatur, daß eine Interdiffusion zwischen den Komponenten des Verbunds stattfindet, so daß eine Einformung des Fasermaterials zu Sphäroliten stattfindet und
• d) selektives Ablösen des Matrixmetalls mittels chemischer oder elektrochemischer Verfahren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundkörper als Manteldraht nach dem Manteldrahtverfahren hergestellt wird, dessen Kern aus einem Faserwerkstoff und dessen Mantel aus einem Matrixwerkstoff besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundkörper durch Strangpressen hergestellt wird, wobei Pulverpartikel durch die Verformung zu Fasern gelängt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundkörper durch Strangpressen hergestellt wird, wobei ein Halbzeug verwendet wird, das aus den Faser- und Matrixmetallen in massiver Form zusammengesetzt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundkörper durch gerichtete Erstarrung eutektischer Legierungen hergestellt wird, wobei eine unidirektionale Faserbildung einer Phase durch eine Wärmeableitung von der Schmelze zum erstarrten Material hin erzielt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Weiterverformung durch Walzen, Profilwalzen, Schmieden, Hämmern oder Ziehen zu Drähten, Blechen oder Folien durchgeführt wird.

7. Verwendung eines ultrafeinen Metallpulvers nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Werkstoff zur Herstellung von Isolatoren.

8. Verwendung eines ultrafeinen Metallpulvers nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Werkstoff zur Herstellung von Leitstrukturen auf einem Substrat.