DE4424157A1 - Porous metallic material having anisotropic properties - Google Patents

Porous metallic material having anisotropic properties

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Abstract

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Description

Die Erfindung betrifft einen porösen metallischen Werkstoff mit anisotropen Eigen­ schaften, insbesondere thermischen und elektrischen Leitfähigkeiten.The invention relates to a porous metallic material with anisotropic properties properties, especially thermal and electrical conductivities.

Hochporöse Metallschaumwerkstoffe besitzen als heterogene Gas-Metall-Ver­ bundwerkstoffe gegenüber Massivmetallen stark reduzierte thermische und elektri­ sche Leitfähigkeiten. Die Leitfähigkeiten sind von der relativen Dichte (Anteil der Po­ ren im Werkstoff) und von den Leitfähigkeiten der metallischen Komponente ab­ hängig. Die elektrischen und thermischen Leitfähigkeiten hängen grundsätzlich von den Leitfähigkeiten des Matrixmaterials und des in den Poren befindlichen Gases ab. Die Wärmeleitung kann zusätzlich durch Konvektion und Wärmestrahlung innerhalb des Metallschaumstoffes beeinflußt werden. Bei den metallischen Schaumwerk­ stoffen ist die Wärmeleitfähigkeit durch das in den Poren befindliche Gas vernach­ lässigbar klein gegenüber der Wärmeleitung über die metallischen Zellstege. Auch die Wärmeleitung durch Konvektion und Wärmestrahlung erreicht Werte, die im Ver­ gleich zur Wärmeleitung durch das metallische Gerüst vernachlässigbar klein sind. Bei der Betrachtung der elektrischen Leitfähigkeit ist der Leitungseinfluß des Gases in den Poren um viele Größenordnungen kleiner als der des metallischen Gerüstes und kann daher vernachlässigt werden.Highly porous metal foam materials as heterogeneous gas-metal Ver Compared to solid metals, composite materials have greatly reduced thermal and electri conductivity. The conductivities depend on the relative density (percentage of Po ren in the material) and on the conductivities of the metallic component pending. The electrical and thermal conductivities basically depend on the conductivities of the matrix material and the gas in the pores. The heat conduction can additionally by convection and heat radiation inside of the metal foam can be influenced. With the metallic foam The thermal conductivity is negatively affected by the gas in the pores Casually small compared to the heat conduction via the metallic cell bars. Also the heat conduction by convection and heat radiation reaches values that in ver are negligibly small for heat conduction through the metallic framework. When considering electrical conductivity, the influence of the gas on the line is in the pores many orders of magnitude smaller than that of the metallic framework and can therefore be neglected.

Aufgrund dieser Zusammenhänge und aufgrund der Tatsache, daß hochporöse Metallschaumwerkstoffe ohnehin reduzierte thermische und elektrische Leitfä­ higkeiten besitzen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen leichtgewichti­ gen metallischen Werkstoff zu entwickeln, der anisotrope Eigenschaften, insbesondere thermische und elektrische Leitfähigkeiten aufweist, bei ausgezeichneter Wärmebeständigkeit sowie guten Festigkeits- und schalldäm­ menden Eigenschaften. Because of these relationships and because of the fact that highly porous Metal foam materials anyway reduced thermal and electrical guidelines abilities, the invention has for its object a lightweight to develop a metallic material with anisotropic properties, in particular has thermal and electrical conductivities excellent heat resistance and good strength and sound insulation properties.  

Es hat sich herausgestellt, daß diese Aufgabe durch einen porösen metallischen Werkstoff mit stark elongierten Poren gelöst wird. Derartige Werkstoffe weisen in Richtung der Längsachse der Poren eine erhöhte Leitfähigkeit und stark reduzierte Leitfähigkeiten in Richtung der Querachse der elongierten Poren auf gegenüber Werkstoffen mit isotropen Leitfähigkeiten, d. h. gegenüber Werkstoffen mit einer gleichmäßigen Porengröße.It has been found that this task is accomplished by a porous metallic Material with highly elongated pores is solved. Such materials have in Direction of the longitudinal axis of the pores increased conductivity and greatly reduced Conductivities in the direction of the transverse axis of the elongated pores on opposite Materials with isotropic conductivities, i. H. compared to materials with a uniform pore size.

Es sind mehrere Verfahren bekannt nach denen poröse Metallwerkstoffe hergestellt werden. Eine Methode zur Herstellung dieser Werkstoffe ist die Einmischung von sich zersetzenden, gasabspaltenden Stoffen oder direkte Gaseinblasung in Metall­ schmelzen. Aus der DE-PS 40 18 360 und der DE-PS 41 01 630 sind Verfahren be­ kannt, nach denen die Herstellung eines porösen Metallkörpers auf der Basis von Mischungen von Metallpulvern und gasabspaltenden Treibmitteln möglich ist. Bei diesem Verfahren liegt nach einem Heißkompaktierungsschritt der Pulvermischung ein aufschäumbares Material vor. Dieses Material kann in einem anschließenden Aufschäumvorgang durch Temperatureinwirkung zu einem hoch porösen Metall­ schaumkörper aufgeschäumt werden. Die Porengröße und Form der Poren der so hergestellten porösen Materialien ist weitgehend isotrop und einheitlich.Several methods are known by which porous metal materials are produced become. One method of manufacturing these materials is by mixing in decomposing, gas-releasing substances or direct gas injection into metal melt. Methods are known from DE-PS 40 18 360 and DE-PS 41 01 630 knows, according to which the production of a porous metal body based on Mixtures of metal powders and gas-releasing blowing agents are possible. At this method lies after a hot compacting step of the powder mixture a foamable material. This material can be used in a subsequent Foaming process by the action of temperature to a highly porous metal foam body to be foamed. The pore size and shape of the pores so Porous materials produced are largely isotropic and uniform.

Gemäß Anspruch 2 ist ein Verfahren angegeben, nach dem ein poröser metallischer Werkstoff mit stark elongierten Poren dadurch hergestellt werden kann, daß der Aufschäumvorgang eines aufschäumbaren Materials oder einer schäumenden Schmelze in einer Form stattfindet, in der die freie Expansion des Materials durch mehrere Wandungen der Form behindert wird. Der sich dadurch aufbauende Druck bewirkt eine ovale Verformung der Poren.According to claim 2, a method is specified, according to which a porous metallic Material with highly elongated pores can be produced in that the Foaming process of a foamable material or a foaming Melt takes place in a form in which the free expansion of the material takes place several walls of the form is obstructed. The resulting pressure causes an oval deformation of the pores.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Werkstoffes ist ein sehr früher Abbruch des Schäumvorganges eines aufschäumbaren Materials. Dieser führt zu flachen, stark elongierten Poren mit hohem L/D-Verhältnis. Dabei liegt die längere Hauptachse der Poren während der Expansion des aufschäumbaren Materials stets senkrecht zur Kompaktierungsrichtung. Bei Flachmaterial liegt sie dann stets in der Blechebene. Insbesondere bei der Herstellung von Flachmaterial ordnen sich die Gefügebestandteile zeilig an. Diese Gefügestruktur führt dazu, daß bei einer unvollständigen Expansion des aufschäumbaren Materials, d. h. bei einem frühen Abbruch des Schäumvorganges keine isotrope Porenstruktur entsteht, sondern sich stark elongierte Porenstrukturen ausbilden. Another method for producing the material according to the invention is a very early termination of the foaming process of a foamable material. This leads to flat, strongly elongated pores with a high L / D ratio. Here lies the longer major axis of the pores during the expansion of the foamable Always perpendicular to the direction of compaction. It lies with flat material then always in the sheet metal plane. Especially in the production of flat material arrange the structural components in rows. This structure leads to the fact that in the event of incomplete expansion of the foamable material, d. H. at a early termination of the foaming process, there is no isotropic pore structure, but rather strongly elongated pore structures are formed.  

Im Anspruch 4 ist ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Werkstof­ fes angegeben, nach dem das Aufschäumen des aufschäumbaren Materials unter­ halb der Solidustemperatur stattfindet, d. h. die Schäumtemperatur ist sehr niedrig. Bei diesem Verfahren sind die gleichen Vorgänge maßgebend wie beim oben angegebenen Verfahren mit dem frühen Abbruch des Schäumvorganges.In claim 4 is a method for producing the material according to the invention fes specified after the foaming of the foamable material under takes place at half the solidus temperature, d. H. the foaming temperature is very low. The same procedures are decisive for this procedure as for the above specified process with the early termination of the foaming process.

Es wurde herausgefunden, daß die erfindungsgemäßen Werkstoffe aus hochporösen Metallschäumen mit isotropen Eigenschaften in einem Formgebungsprozeß, in dem der Werkstoff plastisch verformt wird, hergestellt werden können. Der Formgebungsprozeß kann ein Walz-, Preß-, Stauch- oder ein Schmiedevorgang sein, d. h. es sind alle her­ kömmlichen Formgebungsverfahren in denen der Werkstoff plastisch verformt wird geeignet. Bei diesen Vorgängen wird der zelluläre Körper so verformt, daß die Hauptver­ formungsrichtung parallel zur Werkstoffausdehnung mit der gewünschten niedrigeren Leit­ fähigkeit liegt. Senkrecht zur Umformrichtung tritt eine erhöhte Leitfähigkeit auf, da die Zahl der leitfähigen Membrane oder Zellstege pro Flächeneinheit durch den Umformvorgang erhöht wird. Dagegen bleibt die Leitfähigkeit parallel zur Umformrichtung im Vergleich zu dem porösen Ausgangswerkstoff mit isotropen Eigenschaften nahezu unverändert bleibt. Während des Umformvorganges werden die ursprünglich parallel zur Verformungsrichtung orientierten Zellwände der Poren aufgrund ihrer geringen Dicke nicht gestaucht, sondern sie knicken, bzw. falten sich senkrecht zur Leitrichtung ein. Die ursprüngliche effektive Leitstrecke parallel zur Verformungsrichtung bleibt trotz der erhöhten Dichte annähernd erhalten. Ein maximaler Verformungsgrad, der sowohl von der Ausgangsdichte und der Porenmorphologie als auch von Matrixmaterial des zu verformenden metallischen Schaumwerkstoffes abhängig ist, darf jedoch nicht überschritten werden, um zu ge­ währleisten, daß sich die Zellwände nach der Verformung nicht berühren und keine leiten­ den Brücken bilden. Daneben können die ursprünglich parallel zur Stauchrichtung orientierten Zellstege bei der Verformung brechen oder reißen. Dies führt dazu, daß die Anzahl der für die Leitung durchgängig zur Verfügung stehenden Stege reduziert wird und die Leitfähigkeit weiter abnimmt. Als verstärkend für diesen Effekt wirkt die Integration von Komponenten (z. B. Keramik- oder Hartmetallpartikeln, Kurzfasern etc.), die als Rißstarter während der Deformation dienen können. Nichtleitende, in das metallische Gerüst integrierte Partikel bieten weiterhin den Vorteil, daß der spezifische Widerstand der Stege noch erhöht und somit die Gesamtleitfähigkeit des Werkstoffes weiter reduziert wird.It has been found that the materials according to the invention are made of highly porous Metal foams with isotropic properties in a molding process in which the Material is plastically deformed, can be produced. The molding process can be a rolling, pressing, upsetting or forging process, d. H. it's all over conventional molding processes in which the material is plastically deformed suitable. In these processes, the cellular body is deformed so that the main ver Forming direction parallel to the material expansion with the desired lower guide ability lies. Perpendicular to the direction of forming there is an increased conductivity because the number of the conductive membrane or cell webs per unit area through the forming process is increased. In contrast, the conductivity remains parallel to the direction of deformation compared to the porous starting material with isotropic properties remains almost unchanged. During the forming process, they are initially parallel to the direction of deformation oriented cell walls of the pores are not compressed due to their small thickness, but rather kink or fold perpendicular to the direction. The original effective The guide path parallel to the direction of deformation remains approximately despite the increased density receive. A maximum degree of deformation, both from the initial density and the Pore morphology as well as matrix material of the metallic to be deformed Foam material is dependent, but must not be exceeded to ge ensure that the cell walls do not touch or conduct after the deformation build the bridges. In addition, they can originally be parallel to the compression direction oriented or broken cell bridges during deformation. This leads to the fact that The number of webs that are continuously available for the line is reduced and the conductivity continues to decrease. The integration of Components (e.g. ceramic or hard metal particles, short fibers etc.) that act as crack starters can serve during the deformation. Non-conductive, in the metallic framework Integrated particles also offer the advantage that the specific resistance of the webs still increased and thus the overall conductivity of the material is further reduced.

Der erfindungsgemäße Werkstoff ist in verschiedenen Verwendungsbereichen einsetzbar: Er kann z. B. im Automobilbereich als Hitzeschutzschild eingesetzt werden, um temperaturempfindliche Teile vor der Hitzeeinwirkung zu schützen. Solche Hitzeschutzschilder können mit einem gezielt einstellbaren Wärmedurchgang in Dickenrichtung hergestellt werden. Generell finden die erfindungsgemäßen Werkstoffe auch dort Anwendung, wo eine gleichmäßige Temperaturverteilung an der Oberfläche von Gegenständen oder Wandungen erwünscht ist. Wird das Material beispielsweise in Kochgeräten verwendet, so führt die stark unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit dazu, daß die zugeführte Wärmemenge schnell und gleichmäßig im Kochgerät verteilt wird, wodurch ein Anbrennen des Gargutes verhindert wird.The material according to the invention can be used in various areas of use: He can e.g. B. used in the automotive sector as a heat shield to protect temperature-sensitive parts from the effects of heat. Such Heat protection shields can be set in with a specifically adjustable heat transfer  Thickness direction can be produced. In general, the materials according to the invention are also found wherever a uniform temperature distribution on the surface of Objects or walls is desired. For example, if the material is in Cooking equipment used, the very different thermal conductivity leads to that the amount of heat supplied is distributed quickly and evenly in the cooking device, thereby a burning of the food is prevented.

Die Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Werkstoffes werden anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:The methods for producing the material according to the invention are based on the following figures explained in more detail. Show it:

Fig. 1: eine schematische Darstellung des Schäumvorganges in einer Form und Einformung der Poren unter Formzwang; Fig. 1: a schematic representation of the foaming process in a shape and molding of the pores under constraint;

Fig. 2: eine schematische Darstellung der Porenstruktur nach Abbruch des Schäumvorganges eines aufschäumbaren Materials; FIG. 2 is a schematic representation of the porous structure after termination of the foaming of a foamable material;

Fig. 3: eine Darstellung einer expandierten Porenstruktur nach dem Stauchen von schematisierten kubischen Einheitszellen. Fig. 3 is a representation of an expanded pore structure after upsetting of schematic cubic unit cells.

In Fig. 1 ist schematisch ein Schäumvorgang in einer Form 1 dargestellt, wobei die freie Expansion des Schaumes 2 durch die Formwandungen, insbesondere in vertikaler Richtung behindert wird. Durch den sich dadurch aufbauenden Druck werden die Poren 3 oval eingeformt.In Fig. 1, a foaming process is represented in a form 1 schematically, the free expansion of the foam 2 is impeded by the mold walls, especially in the vertical direction. Due to the pressure that builds up, the pores 3 are formed oval.

In Fig. 2 ist eine ovale Struktur der Poren 4 dargestellt, welche durch einen frühen Abbruch des Schäumvorganges eines aufschäumbaren Materials 5 zustande gekommen ist. FIG. 2 shows an oval structure of the pores 4 , which was brought about by an early termination of the foaming process of a foamable material 5 .

In Fig. 3 ist schematisch eine expandierte Porenstruktur eines geschäumten Materials nach dem Stauchen anhand von schematisierten kubischen Einheitszellen dargestellt. Eine ellipsoidartige Einformung der Zellen 6 verläuft so, daß die kürzere Hauptachse parallel zur geringeren Leitfähigkeitsrichtung liegt. Einige der Zellen 7 können auch gerissene oder gebrochene Zellstege 8 aufweisen, wodurch die Leitfähigkeit in diese Richtung weiter abnimmt. FIG. 3 schematically shows an expanded pore structure of a foamed material after upsetting using schematic cubic unit cells. An ellipsoidal molding of the cells 6 runs in such a way that the shorter main axis lies parallel to the lower direction of conductivity. Some of the cells 7 can also have torn or broken cell webs 8 , as a result of which the conductivity decreases further in this direction.

Claims (9)

1. Poröser metallischer Werkstoff mit anisotropen Eigenschaften, insbesondere thermischen und elektrischen Leitfähigkeiten mit elongierten Poren in Richtung der höheren Leitfähigkeit.1. Porous metallic material with anisotropic properties, in particular thermal and electrical conductivities with elongated pores in Direction of higher conductivity. 2. Verfahren zur Herstellung des Werkstoffes nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein schäumendes Material unter Formzwang aufgeschäumt wird, wobei seine freie Bildung oder Expansion durch eine oder mehrere Wandungen der Form behindert wird.2. A method for producing the material according to claim 1, characterized shows that a foaming material is foamed under pressure, its free formation or expansion through one or more walls of the Form is hindered. 3. Verfahren zur Herstellung des Werkstoffes nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beim Aufschäumen eines aufschäumbaren Materials der durch Temperatureinwirkung stattfindende Schäumvorgang abgebrochen wird.3. A method for producing the material according to claim 1, characterized records that when foaming a foamable material by Exposure to foaming takes place. 4. Verfahren zur Herstellung des Werkstoffes nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der durch die Temperatureinwirkung ausgelöste Schäumvorgang eines aufschäumbaren Materials unterhalb der Solidustemperatur stattfindet.4. A method for producing the material according to claim 1, characterized records that the foaming process triggered by the effect of temperature of a foamable material takes place below the solidus temperature. 5. Verfahren nach den einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem aufschäumbaren Material Keramik- oder Hartmetallpartikel oder Kurzfasern zugegeben wurden.5. The method according to any one of claims 2 to 4, characterized in that the foamable material ceramic or hard metal particles or short fibers were added. 6. Verfahren zur Herstellung des Werkstoffes nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das bereits geschäumte, poröse Material in einem Formgebungs­ prozeß plastisch verformt wird. 6. A method for producing the material according to claim 1, characterized records that the already foamed, porous material in a molding process is plastically deformed.   7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformung durch Walzen, Pressen oder Schmieden erfolgt.7. The method according to claim 6, characterized in that the forming by Rolling, pressing or forging takes place. 8. Verwendung des Werkstoffes nach Anspruch 1 als Hitzeschutzschild in Automobilen.8. Use of the material according to claim 1 as a heat shield in Automobiles. 9. Verwendung des Werkstoffes nach Anspruch 1 in Wandungen von Geräten mit einer gleichmäßigen Temperaturverteilung an deren Oberfläche.9. Use of the material according to claim 1 in the walls of devices with a uniform temperature distribution on their surface.
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