DE4403801A1 - Process for producing sintered components and their use - Google Patents
Process for producing sintered components and their useInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mechanisch fester, poröser, durchströmbarer Bauteile durch Sintern von ohne Zugabe von Sinterhilfen in eine Form lose geschütteten sphärischen metallischen Partikeln, die bis an die Schmelztemperatur erhitzt werden, ohne es zur Schmelze kommen zu lassen, sowie die Verwendung der solchermaßen hergestellten Bauteile.The invention relates to a method for producing mechanically solid, porous, flowable components by sintering loosely poured into a mold without adding sintering aids spherical metallic particles that reach up to the Melting temperature can be heated without melting to let, as well as the use of such manufactured Components.
Durch die WO-A-90/06828 ist es bekanntgeworden, derartige poröse Bauteile, die sich z. B. als Filter, Schalldämpfer oder Wärmetauscherelemente einsetzen lassen, aus Aluminium - Pulver bzw. sphärischen Aluminium - Partikeln herzustellen. Das unbehandelte Aluminium bzw. die kleinkörnigen, in eine Form gefüllten Kugeln werden dabei in einem Sinterofen bis an bzw. kurz unter die Schmelztemperatur des verwendeten Aluminiums aufgeheizt. Aufgrund der gewählten Ofentemperatur wird gewährleistet, daß es nicht zur Schmelze kommt, die einzelnen Aluminiumpartikel vielmehr in Form eines zähflüssigen Kerns vorliegen, der von der Oxidschicht zusammengehalten wird. Aus den Rissen der keramischen Oxidschicht, die durch thermische Spannungen hervorgerufen werden, tritt flüssiges, hochsauerstoffaffines Aluminium aus, das unter den Bedingungen in der Ofenatmosphäre nicht oxidiert und Sinterhälse bzw. -brücken zwischen den einzelnen Partikeln ausbildet.WO-A-90/06828 has made known such porous Components that z. B. as a filter, silencer or Have the heat exchanger elements inserted, made of aluminum powder or spherical aluminum particles. The untreated aluminum or the small-grain, in a mold filled balls are in a sintering furnace up to or just below the melting temperature of the aluminum used heated up. Due to the selected oven temperature ensures that it does not melt, the individual Rather, aluminum particles in the form of a viscous core are present, which is held together by the oxide layer. Out the cracks in the ceramic oxide layer caused by thermal Tensions are created, fluid, highly oxygen-affine aluminum made of under the conditions not oxidized in the furnace atmosphere and sintered necks or bridges between the individual particles.
Nach dem Erkalten des auf diese Weise hergestellten Sinterkörpers liegt ein mechanisch festes, poröses, durchströmbares Bauteil aus Aluminium vor, dessen Poren Durchmesser aufweisen, die annähernd denen des unversinterten Ausgangsmaterials entsprechen. After the sintered body produced in this way has cooled is a mechanically strong, porous, flowable component made of aluminum, whose pores have diameters that correspond approximately to those of the unsintered raw material.
Die somit erreichten Sinterkörper haben sich hervorragend in den verschiedensten Anwendungsbereichen der thermischen Verfahrenstechnik bewährt, beispielsweise in Wärmeaustauschern für Kälte-Drucklufttrockner oder bei Flüssig-/Flüssig-Wärmeaustauschern oder bei Kältemittelverdampfern und -Kondensatoren; sie lassen sich dort konstruktiv modular, d. h. in Serien und/oder Parallelschaltung in turmartiger Anordnung in den Wärmetauscher-Gehäusen vorsehen.The sintered bodies thus achieved have been outstanding in the most diverse application areas of thermal Process technology has proven itself, for example in heat exchangers for cold compressed air dryer or at Liquid / liquid heat exchangers or at Refrigerant evaporators and condensers; they leave there constructively modular, d. H. in series and / or parallel connection provide in a tower-like arrangement in the heat exchanger housings.
Es hat sich allerdings gezeigt, daß das Versintern von sphärischen Aluminiumpartikeln einen hohen technischen Einsatz und einen entsprechend großen Kostenaufwand erfordert. Das hat verschiedene Ursachen, und ein Hauptgrund liegt darin, daß die Temperatur im Sintergut empirisch jeweils so eingestellt werden muß, daß der Kern seine Gestalt beibehält und folglich nicht so weich wird, daß er von dem Gewicht der auf ihn lastenden Sinterteilchen zerdrückt wird. Eine Sintertemperaturdifferenz von plus/minus 1°C muß eingehalten werden; überschreitet die Temperatur diesen Bereich, so bricht die Packung zusammen und die Porösität geht verloren, während hingegen bei Unterschreitungen dieses Toleranzbereiches das Material zu kalt wird und eine Sinterbrückenbildung nicht möglich ist, so daß die Aluminiumkügelchen bzw. -partikeln keinen Zusammenhalt haben und sich "Abknibbeln" lassen. Das in dem beschrieben engen Toleranzbereich erforderliche Versintern setzt für jeden herzustellenden Sinterkörper einen Einzelofen voraus, der aus einem teuren, elektrisch beheizten Keramik-Bornitridtiegel besteht, der innen die Geometrie des Sinterkörpers bzw. -bauteils besitzt. Schließlich müssen die Aluminiumkugeln bzw. die Sinterkörper mit einer Schutzschicht versehen werden, die den Angriff aggressiver Medien widersteht und Oberflächenschäden verhindert. Das zu diesem Zweck eingesetzte Gleichstrom-Anodisieren oder das chemische Vernickeln sind aufwendige Verfahren, und die anfallenden Chemikalien müssen als Sondermüll entsorgt werden.However, it has been shown that the sintering of spherical aluminum particles a high technical use and requires a correspondingly large cost. That has various causes, and one main reason is that the The temperature in the sintered material can be set empirically in each case must that the core maintains its shape and therefore not is so soft that it weighs the weight of those who are on it Sinter particle is crushed. A sintering temperature difference of plus / minus 1 ° C must be observed; exceeds the If this temperature rises, the pack collapses and the porosity is lost, while in contrast If the material falls below this tolerance range, it is too cold becomes and a sintering bridge formation is not possible, so that the aluminum balls or particles have no cohesion and let yourself be "nibbled". That described in the narrow Tolerance range required sintering sets for everyone sintered body to be manufactured a single furnace ahead an expensive, electrically heated ceramic boron nitride crucible exists, the inside of the geometry of the sintered body or component owns. Finally, the aluminum balls or Sintered body can be provided with a protective layer that the Resists attack by aggressive media and surface damage prevented. The one used for this purpose DC anodizing or chemical nickel plating elaborate processes, and the chemicals that have to be produced be disposed of as special waste.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art mit verringertem Aufwand eine reproduzierbare Sinterqualität zu ermöglichen sowie eine Verwendung von nach dem Verfahren gesinteren Bauteilen vorzusehen.The invention is therefore based on the object Process of the type mentioned with reduced effort to enable a reproducible sinter quality as well as a Use of components sintered by the process to provide.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß aus einem medienresistenten Material bestehende Hohlkugeln versintert werden. Als Material für die Hohlkugeln, die Durchmesser bis 5 mm, vorzugsweise 1,5 bis 4 mm aufweisen können, eignen sich nach einem bevorzugten Vorschlag der Erfindung Kupfer bzw. Kupferlegierungen, z. B. Messing oder Cu-/Nickellegierungen für salzwasserbeständige Applikationen. Wie zahlreiche Versuche mit Hohlkugeln aus Kupfer, die seit vielen Jahren bekannt sind, und Wandstärken von lediglich etwa 60 bis 120 µm besitzen ergeben haben läßt sich trotz der Hohlkugelstrukturen der gewünschte Aufbau der Kugelpackung durch einen Sinterprozeß erreichen. Es wurde erkannt, daß diese medienresistenten Materialien mit einer weitaus größeren Temperaturspreizung versintert werden können, die bei beispielsweise den Kupfer-Hohlkugeln plus/minus 5°C beträgt. Das ist darauf zurückzuführen, daß die Schmelztemperatur dieser medienresistenten Materialien - die Schmelztemperatur von Kupfer beträgt 1083° - wesentlich höher als für Aluminium ist und die Toleranz des Schmelzpunktes mit höher werdender Schmelztemperatur anwächst. Weiterhin läßt sich die bei Kupfer, Messing, etc. gegenüber Aluminium sehr viel höhere Dichte ausnutzen, denn aufgrund des somit höheren molekularen Aufbaus schmelzen diese Materialien nicht so leicht weg wie Aluminium; zu einem Schmelzefluß kommt es im wesentlichen nur an den Kontaktstellen von Hohlkugel zu Hohlkugel, und dort bilden sich folglich die Sinterbrücken aus.This object is achieved in that from a media-resistant material sintered existing hollow spheres become. As a material for the hollow balls, the diameter up 5 mm, preferably 1.5 to 4 mm, are suitable according to a preferred proposal of the invention copper or Copper alloys, e.g. B. brass or copper / nickel alloys for saltwater-resistant applications. Like numerous attempts with hollow spheres made of copper, which have been known for many years, and have wall thicknesses of only about 60 to 120 microns can have the desired despite the hollow spherical structures Reach the ball packing by a sintering process. It has been recognized that these media resistant materials come with a much larger temperature spread are sintered can, for example, the copper hollow spheres plus / minus Is 5 ° C. This is because the Melting temperature of these media resistant materials - the The melting temperature of copper is 1083 ° - significantly higher than for aluminum and with the tolerance of the melting point higher melting temperature increases. Furthermore, copper, brass, etc. a lot compared to aluminum exploit higher density, because of the higher molecular construction, these materials do not melt so easily gone like aluminum; there is a melt flow in the essential only at the contact points of the hollow sphere Hollow sphere, and consequently the sintered bridges form there.
Durch das Versintern von Hohlkugeln aus einem medienresistenten Material ergeben sich für die herzustellenden Sinter-Bauteile mehrere Vorteile gleichzeitig. Den einsetzbaren Materialien, insbesondere Kupfer bzw. Kupferlegierungen, ist ein Korrosionsschutz immanent, so daß es keinerlei Maßnahmen bedarf, durch Oberflächenveredelungverfahren eine Korrosionsschutzschicht aufzubauen. Trotz der gegenüber Aluminium höheren Dichte von Kupfer bzw. Kupferlegierungen besitzen die Sinter-Bauteile aufgrund der Hohlkugelstrukturen dennoch ein äußerst geringes Gewicht. Durch die dünne Wanddicke der Hohlkugeln stellt sich beim Sintern eine größere Kontaktstelle mit einem besseren Wärmefluß ein, weil dort Abplattungen auftreten. Der an diesen Kontaktstellen bessere Wärmestrom erlaubt ein gutes Versintern und im Einsatz der Sinter-Bauteile eine gute Wärmeleitfähigkeit; beim Einsatz von z. B. Kupfer-Hohlkugeln läßt sich ein gegenüber Sinter-Bauteilen aus Aluminiumkugeln um 90% besserer Wärmeleitwert erreichen. Die große Temperaturtoleranz macht es entbehrlich, aufwendige Meßeinrichtungen vorzusehen, und es werden auch keine speziellen, einzelnen Keramik-Bornitridtiegel mehr benötigt, vielmehr lassen sich nach einem Vorschlag der Erfindung die mit Hohlkugeln aufgefüllten Formen zum Massen-Sinterprozeß in einen geeigneten Ofen, z. B. ein Durchlaufofen, geben. Der auf diese Weise mögliche Sintermassenprozeß führt zu einer deutlichen Erhöhung der Produktivität und Reduzierung des Kostenaufwandes.By sintering hollow spheres from a media-resistant Material results for the sintered components to be produced several advantages at the same time. The usable materials, in particular copper or copper alloys is a Corrosion protection inherent, so that no measures are required a corrosion protection layer through surface finishing processes build up. Despite the higher density of aluminum than aluminum The sintered components have copper or copper alloys due to the hollow spherical structures an extremely small one Weight. Due to the thin wall thickness of the hollow spheres when sintering a larger contact point with a better one Heat flow because flattening occurs there. The one at this Contact points better heat flow allows good sintering and good thermal conductivity when using the sintered components; when using z. B. hollow copper spheres can be compared Sintered components made of aluminum balls 90% better Reach thermal conductivity. The large temperature tolerance makes it is unnecessary to provide complex measuring devices, and there won't be any special, individual ones either Ceramic boron nitride crucibles needed more, but rather can according to a proposal of the invention with hollow balls filled forms for the mass sintering process into a suitable one Oven, e.g. B. a continuous furnace. The possible in this way Sintered mass process leads to a significant increase in Productivity and cost reduction.
Es wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die durch Sintern von medienresistenten Hohlkugeln hergestellten Bauteile in Wärmeaustauschern verwendet, werden und zwar insbesondere sowohl für Kälte-Drucklufttrockner als auch bei Flüssig-/Flüssig-Wärmeaustauschern und Kältemittelverdampfern bzw. -Kondensatoren. Dabei ist es möglich, für die Wärmeaustauscher bzw. Kälte-Drucklufttrockner Sinter-Bauteile aus Hohlkugeln nach wie vor in Modul-Bauweise vorzusehen und beispielsweise zu einem turmartigen Wärmeaustauscher-System in einem Gehäuse anzuordnen. Gleichwohl lassen sich die Hohlkugeln alternativ auch sogleich in das Gehäuse bzw. den Druckbehälter auffüllen, so daß dieser gleichzeitig als Sinterform dienen kann, um die Packungen bzw. Module in dieser Gehäuseform unter sauerstoffarmer Atmosphäre zu sintern. Das für den Wärmeaustausch benötigte Kältemittel kann gegebenenfalls sogleich nach Ablassen des Schutzgases auf dem Montageband aufgefüllt werden. Ein Evakuieren und Trocknen des Kältekreises ist nicht mehr erforderlich. Wärmeaustauscher lassen sich somit entweder in Modul-Bauweise oder in Fertiggehäuse-Bauweise herstellen.It is proposed according to the invention that the sintering Components made of media resistant hollow spheres in Heat exchangers are used, in particular both for refrigeration compressed air dryers as well Liquid / liquid heat exchangers and refrigerant evaporators or capacitors. It is possible for Heat exchanger or cold compressed air dryer sintered components from hollow spheres still to be provided in modular design and for example to a tower-like heat exchanger system to be arranged in a housing. Nevertheless, the Hollow balls alternatively immediately in the housing or Fill up the pressure tank so that it is also used as Sintered form can serve to the packs or modules in this Sinter the housing shape in a low-oxygen atmosphere. The Refrigerants required for heat exchange can be used if necessary immediately after releasing the protective gas on the assembly line be replenished. Evacuation and drying of the refrigeration cycle is no longer required. Heat exchangers can thus be either in modular construction or in prefabricated housing construction produce.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Bescheibung, in der Aus führungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung näher erläutert sind. Es zeigen:Further features and advantages of the invention result from the claims and the following description, in the Aus management examples of the subject of the invention explained in more detail are. Show it:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Ausführung eines Wärmetauscher- Grundmoduls, das Packungen aus versinterten medienresistenten Hohlkugeln besitzt; Fig. 1 has a section through an embodiment of a heat exchanger the basic module, the packs of sintered media-resistant hollow spheres;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des in Fig. 1 gezeigten Wärmetauscher-Grundmoduls; und FIG. 2 shows a perspective illustration of the basic heat exchanger module shown in FIG. 1; and
Fig. 3 einen Schnitt durch ein mit medienresistenten Hohlkörpern aufgefülltes bzw. versintertes Wärmetauschergehäuse. Fig. 3 is a sectional view of a media-resistant hollow bodies with padded or-sintered heat exchanger housing.
Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Wärmetauscher-Grundmodul 1 weist eine von einem Rohrstück gebildete rohrförmige Begrenzungswand 2 auf, die von einer schlauchförmigen äußeren, aus porösem, durch Versintern von medienresistenten Hohlkugeln 3 - diese sind aus Gründen der einfacheren zeichnerischen Darstellung lediglich in einem Teilbereich angedeutet und ansonsten durch die Punktierung gekennzeichnet - hergestellten durchströmbaren Packung 4 umgeben. Die Packung 4 umschließt dabei nicht die gesamte Länge der rohrförmigen Begrenzungswand 2, und die freien Rohrenden bzw. Anschlußstücke 5, 7 lassen sich mit über- bzw. untereinandergesetzten gleichen Wärmetauscher-Grundmodulen 1 zu beispielsweise einem turmartigen Kälte-Drucklufttrockner miteinander verschweißen. Hierbei läßt sich ein Luft/Luft-Wärmeaustauscher bzw. ein Luft-Kältemittel-Wärmeaustauscher aus einer unterschiedlichen Anzahl an Grundmodulen 1 aufbauen.The heat exchanger basic module 1 shown in FIGS. 1 and 2 has a tubular boundary wall 2 formed by a tube piece, which is formed by a tubular outer, made of porous, by sintering of media-resistant hollow spheres 3 - these are only shown in FIG indicated in a partial area and otherwise characterized by the dotting - surrounded by flow-through packing 4 . The pack 4 does not enclose the entire length of the tubular boundary wall 2 , and the free pipe ends or connecting pieces 5 , 7 can be welded together with the same heat exchanger basic modules 1 placed one above the other or to form a tower-like cold compressed air dryer. Here, an air / air heat exchanger or an air / refrigerant heat exchanger can be constructed from a different number of basic modules 1 .
Weiterhin ist auch das Innere des Rohrstücks mit einer inneren Packung 6 aus porösen, durchströmbaren gesinterten medienresistenten Hohlkugeln 3 ausgefüllt, wobei auch diese Packung nicht die gesamte Länge der rohrförmigen Begrenzungswand bzw. des Rohrstückes 2 ausfüllt, sondern ebenfalls oben und unten die Anschlußstücke 5 bzw. 7 freiläßt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Länge der Ausfüllung bzw. der Umhüllung des Rohrstückes 2 durch die äußere bzw. die innere Packung 4, 6 gleich. Das Innere des Rohrstücks 2 bildet einen inneren Strömungskanal für die wärmeabgebende bzw. wärmeaufnehmende Seite. Die äußere Packung 4 definiert einen äußeren Strömungskanal 9 für ein im Gegenstrom geführtes Wärmetransportmedium.Furthermore, the inside of the pipe section is also filled with an inner packing 6 made of porous, flowable sintered media-resistant hollow spheres 3 , this packing also not filling the entire length of the tubular boundary wall or the pipe section 2 , but also the connecting pieces 5 and / or above 7 releases. In the exemplary embodiment shown, the length of the filling or the covering of the tube piece 2 by the outer or the inner packing 4 , 6 is the same. The inside of the pipe section 2 forms an inner flow channel for the heat-emitting or heat-absorbing side. The outer packing 4 defines an outer flow channel 9 for a heat transport medium guided in countercurrent.
Bei der Ausführung nach Fig. 3 ist eine definierte Menge medienresistenter Hohlkugeln 3 - von diesen sind aus Gründen der einfacheren zeichnerischen Darstellung lediglich einige wenige eingezeichnet - schon gleich in ein Wärmetauschergehäuse 10 gefüllt und darin versintert worden, d. h. das Wärmeaustauschergehäuse 10 dient in diesem Fall sogleich als Sinterform. Die sich ausbildenden Sinterbrücken an den Kontaktstellen zwischen den einzelnen Hohlkugeln 3 erhöhen die Stabilität und erlauben es, geringere Wanddicken des von einem Außenrohr gebildeten Gehäuses 10 vorzusehen. Ein konzentrisch in dem Wärmetauschergehäuse 10 angeordnetes Innenrohr 11 bildet - wie bei den Wärmetauscher-Grundmodulen 1 nach den Fig. 1 und 2 - eine rohrförmige Begrenzungswand zwischen innerer und äußerer Packung 12 bzw. 13. Das Wärmetauschergehäuse 10 besitzt oben und unten deckelartige Endstücke 14, 15, die mit Anschlüssen 16, 17 bzw. 18, 19 für die das Wärmetauschergehäuse 10 im Gegenstrom durchströmenden Medien versehen sind. In the embodiment according to FIG. 3, a defined amount of media-resistant hollow spheres 3 - of which only a few are shown for the sake of simpler illustration - has already been filled into a heat exchanger housing 10 and sintered therein, that is to say the heat exchanger housing 10 is used immediately in this case as a sintered form. The sinter bridges that form at the contact points between the individual hollow spheres 3 increase the stability and allow thinner wall thicknesses of the housing 10 formed by an outer tube. An inner tube 11 arranged concentrically in the heat exchanger housing 10 forms - as in the case of the heat exchanger basic modules 1 according to FIGS. 1 and 2 - a tubular boundary wall between the inner and outer packing 12 or 13 . The heat exchanger housing 10 has cover-like end pieces 14 , 15 at the top and bottom, which are provided with connections 16 , 17 and 18 , 19 for the media flowing through the heat exchanger housing 10 in countercurrent.
Unter der Annahme, daß es sich bei den in Fig. 3 gezeigten Wärmetauscher um einen Kälte-Drucklufttrockner handelt, strömt über den Anschluß 16 in Pfeilrichtung 20 Druckluft in das Wärmetauschergehäuse 10 ein, durchströmt die äußere poröse Packung 13, wird dann austrittsseitig gemäß Pfeil 20 nach oben umgelenkt und in den oberen Teil der inneren Packung 12 eingeleitet. Nach dem Austritt aus der inneren Packung 12 strömt die bis auf die niedrigste Drucktaupunkt-Temperatur abgekühlte Druckluft gemäß den Pfeilen 20 über den Anschluß 17 ab. Damit sich der Abkühleffekt durch Wärmeaustausch erreichen läßt, wird im geschlossenen Kältekreis über die Anschlüsse 18 bzw. 19 ein Kältemittel über in der inneren Packung 12 eingebettete Leitungsrohre 21 bzw. 22 durch das Wärmetauschergehäuse 10 geführt. Das Kältemittel strömt gemäß Pfeil 23 flüssig über das Leitungsrohr 21 - das schon unmittelbar nach seinem Eintritt in die Packung 12 endet, wie in Fig. 3 dargestellt - ein und gemäß Pfeil 24 über das Leitungsrohr 22 nach erfolgter Verdampfung ab; das Leitungsrohr 22 besitzt eine solche Länge, daß es oberhalb der in Fig. 3 rechten Packung 12 in einem dort im Gehäuse ausgebildeten Dampfdom 29 endet. Die während des Kühlvorgangs anfallende Feuchtigkeit der Druckluft verbindet sich aufgrund des Wärmeaustauscherprinzips zu Kondensattropfen 25, die in einem unterhalb der Packungen 12, 13 im Wärmetauschergehäuse 10 ausgebildeten, großdimensionierten Beruhigungsraumabscheider 26 abgeschieden und gemäß Pfeil 27 über einen Kondensatablaß 28 abgeleitet werden.Assuming that the heat exchanger shown in FIG. 3 is a cold compressed air dryer, compressed air flows into the heat exchanger housing 10 via the connection 16 in the direction of the arrow 20 , flows through the outer porous packing 13 and is then discharged on the outlet side according to the arrow 20 deflected upwards and introduced into the upper part of the inner pack 12 . After exiting the inner packing 12 , the compressed air, which has cooled to the lowest pressure dew point temperature, flows out via the connection 17 according to the arrows 20 . So that the cooling effect can be achieved by heat exchange, a refrigerant is passed through the heat exchanger housing 10 via the connections 18 and 19, respectively, via conduits 21 and 22 embedded in the inner packing 12 through the heat exchanger housing 10 . According to arrow 23, the refrigerant flows in liquid via the conduit 21 - which ends immediately after it enters the pack 12 , as shown in FIG. 3 - and according to arrow 24 via the conduit 22 after evaporation has taken place; The conduit 22 is of such a length that it ends above the packing 12 on the right in FIG. 3 in a steam dome 29 formed there in the housing. The moisture of the compressed air that accumulates during the cooling process combines due to the heat exchanger principle to form condensate drops 25 , which are separated in a large-sized calming space separator 26 formed below the packings 12 , 13 in the heat exchanger housing 10 and are discharged according to arrow 27 via a condensate drain 28 .
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