EP2136942B1 - Trägermaterial zur herstellung von werkstücken - Google Patents

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EP2136942B1
EP2136942B1 EP08735289.4A EP08735289A EP2136942B1 EP 2136942 B1 EP2136942 B1 EP 2136942B1 EP 08735289 A EP08735289 A EP 08735289A EP 2136942 B1 EP2136942 B1 EP 2136942B1
Authority
EP
European Patent Office
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carrier material
magnesium
material according
workpiece
medium
Prior art date
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Active
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EP08735289.4A
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English (en)
French (fr)
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EP2136942A1 (de
Inventor
Markus Dirscherl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
HERMLE MASCHINENBAU GmbH
Original Assignee
HERMLE MASCHINENBAU GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by HERMLE MASCHINENBAU GmbH filed Critical HERMLE MASCHINENBAU GmbH
Publication of EP2136942A1 publication Critical patent/EP2136942A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2136942B1 publication Critical patent/EP2136942B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06—Metallic material
    • C23C4/08—Metallic material containing only metal elements

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a workpiece having at least one cavity, recess, recess, a cavity, an undercut or any other unfilled portion, and a suitable carrier material.
  • Unfilled portions such as cavities, recesses, recesses, undercuts, cavities, etc.
  • unfilled portions such as cavities, recesses, recesses, undercuts, cavities, etc. are hereinafter referred to as "free space" for the sake of simplicity, which term also includes spaces that are not surrounded on all sides by a wall, such as undercuts.
  • the erasable material used as a "placeholder” is also referred to as a "lost core” or “lost shape”.
  • a material that can be used for lost cores has to meet a variety of requirements, including mechanical and thermal stresses. These requirements are not met by the desirable for lost cores water-soluble salts.
  • salts are an interesting material in terms of their solubility and availability, their use is not possible because of their brittleness in processes that require mechanical stress, such as thermal spraying, cold gas spraying, or compacting. The salts, because of their brittleness, can not withstand the mechanical stress associated with such processes.
  • US 3,722,574 A describes the fabrication of superalloy hollow parts by a model fusing process, and more particularly the manufacture of metal parts from cobalt or nickel superalloys, which are provided with small and narrow openings and passages.
  • the model casting process envisages the use of a water-soluble core in the manufacture of these hollow articles, the core being in the casting after casting and voids forming after removal of the core.
  • US 3,701,379 A describes a metal workpiece having internal portions and openings, wherein the metal workpiece can be obtained by casting molten metal into a mold having a magnesium oxide core.
  • the core can be obtained by molding a mixture of magnesium oxide and resin.
  • the resin can then be slowly volatilized to form the core of pure MgO, which can then be sintered. After casting the metal into the mold and around the core, the core can be dissolved by washing with a non-corrosive medium.
  • this alloy should then be dissolved out with water or an acidic or basic solution. It has been found that this known material is not suitable for all molding processes.
  • the material should also be removable when dealing with very complex or very delicate shapes, e.g. narrow channels.
  • a carrier material that can be used as a placeholder in the construction of workpieces with at least one free space that consists of a corrodible material, wherein the corrodible material is a mixture or alloy of magnesium and at least one other metal component whose normal potential under reaction conditions is greater than that of magnesium, wherein the material has been compacted with a mechanical loading process.
  • a corrodible material which contains magnesium and another metal component having a higher normal potential under reaction conditions loses its structure very rapidly on contact with water or an aqueous medium, with the magnesium dissolving and other metals present, if appropriate, at least partially remain in particle form.
  • the material according to the invention has a structure which combines a combination of interesting properties.
  • the material provides sufficient strength to serve as a placeholder in a variety of processes, and can withstand mechanical and thermal stress, e.g. as part of the shaping and / or processing.
  • the material decomposes very rapidly on contact with a corrosive liquid.
  • corrosion means any electrochemical reaction of magnesium with a liquid medium in the presence of another metal component with a higher normal potential, which leads to a substantial or complete dissolution of the magnesium with formation of gas.
  • a corrosive medium is an ion-containing liquid which dissolves magnesium due to an electrochemical reaction in the presence of another metal component with a higher normal potential.
  • higher normal potential always refers to the normal potential of a metal component in the Comparison to magnesium under the reaction conditions (in terms of temperature, pressure, type and amount of ions in the solution, etc.) and not to the position in the voltage series.
  • metal component refers in particular to metals or metal alloys which promote the corrosion reaction of magnesium.
  • the advantageous properties of the material according to the invention arise on the one hand by the metallic and mechanical properties of magnesium and other metal components and on the other hand by the corrosion ability of magnesium under certain conditions.
  • the support material is brought into contact after completion of the workpiece to remove the placeholder with a corrosive medium, wherein dissolves magnesium and the undissolved carrier material is then rinsed out of the mold formed together with the magnesium-containing medium.
  • compaction of the metal powder creates a material whose particles are in sufficient contact to favor an electrochemical reaction.
  • the layer covering the particles may possibly be broken up to such an extent by stress or deformation that the reaction can take place and is not inhibited.
  • a corrosive medium usually water or an aqueous medium
  • the dissolution is achieved at the desired rate.
  • the speed of the dissolution reaction can be adjusted in a targeted manner with the support material according to the invention.
  • powder mixtures are used with high porosity, which are soaked in the addition of water, an uncontrollable reaction can be the result.
  • a material is used whose porosity is not higher than 20% by volume, preferably not is higher than 5% by volume. In a particularly suitable embodiment, the porosity is less than 1%.
  • a material according to the invention i. a magnesium-containing mixture or alloy which has been previously compacted, contacted with a corrosive medium, preferably a conductive aqueous medium in contact
  • the magnesium dissolves at least as far as possible.
  • this effect is exploited to remove a carrier material after completion of a workpiece by bringing the mixture into contact with a corrosive medium and subsequently rinsing out carrier material and medium containing the magnesium, which are then removed from the formed form.
  • the carrier material according to the invention is particularly well suited for the production of workpieces with cavities, recesses, recesses, undercuts and cavities, in particular for the production of hollow bodies or workpieces with undercuts using thermal spraying methods.
  • the rate of dissolution of magnesium depends on various factors, so that it is possible with routine measures to find and use the optimal material or conditions. Factors influencing the resolution include the temperature, the combination of metals, the type and amount of ions contained in the medium used for dissolution, Area ratios and mechanical stress on the surfaces as well as the hydrogen overvoltage.
  • Temperature is an important parameter as the higher the temperature, the faster the reaction.
  • the electrochemical reaction of the metals with water is exothermic.
  • the rate of dissolution can therefore be adjusted, if necessary or desired, by controlling the temperature of the reaction.
  • the reaction can be adjusted by supplying heat and / or possibly by dissipating heat. Supply and removal of heat in the simplest case by using appropriately tempered medium as a solvent.
  • the combination of the metals used in the carrier material is a magnesium alloy or a mixture of magnesium with at least one further metal component is used. Depending on the added metals, the magnesium corrosive reaction is stronger or less strong. By selecting one or more metals, therefore, the speed of resolution can be influenced.
  • magnesium alone tends to corrode under certain conditions, inter alia when exposed to ion-containing solution.
  • the corrosivity can still be increased if at least one other metal component, which is nobler with respect to magnesium, ie, has a higher standard potential or normal potential than magnesium, is alloyed or admixed. Any metal which has a higher normal potential than magnesium under the conditions of the corrosion reaction taking place by adding the corrosive medium is therefore suitable for the carrier material according to the invention.
  • a particularly high influence on the corrosivity metals have low hydrogen overvoltage and in particular the metals iron, nickel and copper, which are therefore present mixed or alloyed, preferably singly or in combination with the magnesium, in the support material according to the invention. Most preferably, a combination of magnesium and iron is used.
  • the carrier material according to the invention is produced from magnesium and at least one further metal component by compaction. It has been found that when the material and thus the individual particles are heavily stressed before or during the formation, the corrosion proceeds very quickly. This may, without being bound by theory, be due to the fact that the stress possibly existing magnesium protective oxide or oxide layers are disturbed or destroyed, so that the corrosive attack can then be faster and more violent.
  • Another factor that can accelerate the corrosion reaction is the proportion of ions and the activity of the ions contained in the corrosive, preferably aqueous medium used for dissolution. It was found that the corrosion and thus dissolution of the Magnesium, the faster the more active anions are available. Particularly reactive in this context are, inter alia, chloride, nitrate and sulfate ions. These ions lead to the formation of slightly soluble magnesium salts, which accelerate the dissolution.
  • aqueous solution Further influence on the corrosion reaction has the conductivity of the aqueous solution, which in turn can be influenced by the proportion of ions.
  • An aqueous medium with high conductivity or a high proportion of ions leads to rapid dissolution. Therefore, strongly ion-containing aqueous media are preferably used for dissolution.
  • strongly ion-containing aqueous media are preferably used for dissolution.
  • a saline-containing solution is used.
  • seawater is a very suitable medium.
  • ion-containing wastewater from other processes is very advantageous, which can be utilized very well in this way.
  • Another factor which has an influence on the corrosion reaction is the area ratio of anodic particles to cathodic particles and the distance between anodic and cathodic particles.
  • the small distance between the anode and the cathode can be produced by the compacting processing, which produces the structure of the carrier material according to the invention.
  • the proportion of individual components also influences this factor.
  • the hydrogen overvoltage also influences the corrosion. It has been found that in combination with magnesium metals with low hydrogen overvoltage are effective cathodes and therefore favor the reaction. Low hydrogen overvoltage metals include nickel, copper and iron, which are therefore preferred.
  • Another factor affecting the rate of dissolution and the course of the reaction is the movement of the medium.
  • the medium is agitated after the start of the reaction, the formation of a closed covering layer of magnesium hydroxide over the magnesium particles is hindered, so that the corrosion is in turn further promoted.
  • the speed can be adapted to the method, wherein one of the above factors or more can be set.
  • the carrier material according to the invention is applicable to shaping methods of any kind.
  • the material according to the invention is distinguished, in particular, by its formability, machinability, contour-consistent layer formation, imaging properties and compatibility with other materials. It can be advantageously used especially when forms are formed by layer structure, which are then mechanically reworked to form simple and complex, even filigree body, which serve as a placeholder for any type of space, incl. Undercuts in materials of any kind. Complex or filigree shapes can be formed by machining, usually machining, from the material. The layers formed from the support material according to the invention follow the substrate to which they are applied, contour true and remain there adhere. The material according to the invention can therefore be used in many ways.
  • the body is built up in layers and applied in the areas that are to form the space or the undercut later, the material of the invention, which can be flushed out after completion of the workpiece.
  • the mixture or alloy forming the carrier material is processed in such a way that a compacted material, which may also be present in sintered form, results from the metal powders or the alloy. It is important that the metal particles of the at least two metals are in intimate contact with each other.
  • Alloys are materials which are composed of at least two components and contain at least one metal, wherein the second alloy constituent in the metal is either dissolved and homogeneously distributed therein, or is only partially dissolved, so that a second alloy-rich phase is formed.
  • the second or further alloying ingredient is also metallic, it is intermetallic compounds, i. Atoms of one metal are incorporated into the matrix of the other metal.
  • the macroscopic properties of the alloy differ from those of the individual metal powders. According to the invention, it is essential that a compacted material is used, as this provides the reactivity and close contact necessary for the corrosion reaction.
  • the support material according to the invention contains magnesium powder and at least one further powder of noble metal or metal compound compared with magnesium; Preferably, it consists essentially only of magnesium and metal or metal powder. Due to the potential difference of these two components, when a corrosive medium, in particular water or an aqueous medium, is added, a Redox reaction, which causes the magnesium to dissolve as a base metal.
  • This component can be included in addition to the metals another component that contributes further desired properties.
  • This component can be selected from a wide variety of materials, with the proviso that it does not disturb the structure of the structure or the electrochemical decomposition of the same.
  • another material inert with respect to the electrochemical reaction may be added which has an influence on the mechanical properties, e.g.
  • a harder material may be added as a third component to improve adhesion in kinetic compaction.
  • a material catalyzing the electrochemical reaction in order to influence the start and / or course of the reaction. It may be the phlegmatizing substances that are phlegmatic in storage, e.g.
  • the metal powders which make up the material according to the invention are variable in terms of grain size and grain shape.
  • the shape of the particles is not critical, both spherical and flake-like or other forms come into consideration.
  • the particle size is not critical, with the proviso that the particles may not be larger than the space to be filled. In thermal spraying, particles with a Size can be processed up to about 0.5 mm. Preference is given to using particles of up to 0.25 mm.
  • the dissolution behavior can also be influenced by the particle size of the powders, so that the optimal material can be selected with routine tests for each application.
  • compaction behavior and structure can be influenced by selecting the particle sizes of the two powders and their ratio. The particle size can therefore be selected specifically for a powder or both so that the desired properties arise in terms of structure and resolution.
  • the corrosive medium can be any liquid that aids in the corrosion reaction. It is usually ion-containing water or an aqueous solution that initiates or promotes the redox reaction by which the magnesium is oxidized to form hydroxide ions and simultaneously hydrogen. As a result, part of the carrier material dissolves, the structure is destroyed and the undissolved particles are released. These particles are then rinsed out together with the solution containing the magnesium dissolved. The evolution of gas creates enough movement to keep the reaction going, even in the case of narrow channels or filigree cavities.
  • the pH may shift to the acidic or basic range, depending on the material and medium used. Therefore, if a material susceptible to corrosion at acidic or basic pH values is used to produce the workpiece, it can be protected by appropriately selecting carrier material and / or corrosive medium so as to avoid the corrosion of the workpiece material becomes.
  • a material susceptible to corrosion at acidic or basic pH values is used to produce the workpiece, it can be protected by appropriately selecting carrier material and / or corrosive medium so as to avoid the corrosion of the workpiece material becomes.
  • the formation of a basic solution is advantageous if the material forming the shaped body is steel, since the basic solution acts here as a kind of rust protection.
  • a slightly acidic pH which can be achieved by the medium used, may be more advantageous.
  • a carrier material which does not dissolve completely, but whose structure is destroyed upon contact with water, since only a part is dissolved, which is sufficient, however, to flush out the entire material.
  • at least magnesium and another metal component are necessary, which are preferably used in the purest possible form.
  • pure is understood to mean that the powders contain at most small amounts of contaminants of interfering elements.
  • Such a structure is preferably formed by thermal spraying, cold gas spraying and / or kinetic spraying.
  • a structure is achieved in which the particles form a compacted matrix.
  • the material applied by such a method has a porosity of less than 20%, more preferably less than 5% and even more preferably less than 1%. If the porosity of the material and thereby the proportion of open pores becomes too high, the support material could become soaked with the aqueous medium and, depending on reaction conditions and reactants, dissolve so rapidly that an uncontrollable reaction with high gas pressure would result, which is undesirable. In addition, due to an increase in volume due to hydroxide formation, the removal of the undissolved particles may be disturbed.
  • the matrix formed from the metals is so dense that the surfaces of the particles have sufficient contact to promote the electrochemical reaction upon addition of water.
  • the metal powders are used in proportions such that the electrochemical reaction proceeds to the desired extent.
  • the magnesium dissolves at least partially, while the remaining component or components remain as a powder. Therefore, the magnesium must be present in such a proportion that by dissolving it dissolves or destroys the structure previously formed by compaction to such an extent that the resulting material, i. essentially metal particles, can be flushed out.
  • the volume ratio of magnesium to the other components is between 250: 1 and 1:10.
  • the metal powders are preferably combined in a volume ratio of magnesium to more noble metal of 5: 1 to 1:10, preferably 3: 1 to 1: 3.
  • magnesium powder and "nobler" component are combined in approximately equal volumes.
  • any magnesium corrosive liquid can be used.
  • the corrosive, preferably aqueous medium is not critical and any medium that consists predominantly of water is suitable here. It is important to make sure that the electrochemical reaction is negative affecting ingredients are contained in the water. Preference is given to using an aqueous medium which promotes the electrochemical reaction, in particular an ion-containing solution. Acid, neutral and basic ion-containing solutions, eg salt solutions, are suitable. It is also possible to use dilute acids or bases. Also suitable as wastewater, containing ionic media. These are advantageous for environmental and cost reasons. Therefore, both tap water and waste water from other processes, which is preferably saline, can be used as long as it does not affect the redox reaction.
  • the invention relates to a method for producing a workpiece with at least one free space, i. inter alia, an undercut, a cavity, a recess or recess, wherein the space forming the free space is filled with a carrier material which is rinsed out after completion, wherein the carrier material is a material as defined in claim 1.
  • the carrier material according to the invention is very well suited to form a lost core for a molding process in which workpieces with cavities or undercuts are formed.
  • the carrier material according to the invention is characterized by its mechanical strength, so that it can be used wherever a mechanically strong material is necessary.
  • it can be processed by molding processes, in particular it can be formed by machining processes into complex shapes.
  • the carrier material according to the invention for processing with thermal spraying, kinetic compaction or cold gas spraying is particularly suitable.
  • the material according to the invention is particularly preferably used for a process for the production of workpieces, in which a layered structure is achieved by thermal spraying, wherein the layers are then optionally post-processed by machining.
  • a method for producing a workpiece in which a structure is built up by thermal spraying, kinetic compaction or cold gas spraying, wherein the regions which are to form a free space in the finished body are formed with the carrier material according to the invention, wherein the carrier material according to Completion of the workpiece is removed by contact with a corrosive medium.
  • the carrier material according to the invention can also be used for other processes in which a placeholder is required, but is particularly advantageous for processes in which thermal spraying is used.
  • the thermal spraying preferably takes place by kinetic spraying.
  • the carrier material according to the invention is very well suited for forming lost cores. It can be processed into a variety of forms. Upon completion of the workpiece, contact with a corrosive medium destroys the matrix formed upon application of the material by an electrochemical reaction, and the movement due to gas formation during the electrochemical reaction produces enough water exchange to appropriately promote the electrochemical reaction. The metal powder remaining on destruction of the matrix can then be easily rinsed out together with the resulting solution and, if necessary, reused.
  • the electrochemical reaction and thus the dissolution of the magnesium and the destruction of the structure can be promoted in a preferred embodiment by providing a movement of the medium during and after the addition of the aqueous medium. This can e.g. by rinsing, by moving the workpiece or by ultrasonic treatment.
  • a carrier material which, due to its mechanical strength as well as ductility and its electrochemical reactivity, provides an ideal combination of properties. Furthermore, a method is provided, with which also very complicated shapes can be produced, since it is possible to build the workpieces in layers by spraying and then even complicated recesses, cavities, recesses, cavities, undercuts or other unfilled portions by flushing the To form carrier material.
  • the material according to the invention described above is very well suited for any form of placeholder. Due to the advantageous mechanical and electrochemical properties, the support material according to the invention can always be used when it is necessary to keep a place for a certain period of time and then to remove the placeholder material.
  • the carrier material according to the invention is suitable when the placeholder is mechanically stressed in its function, for example, is exposed to stress. Therefore, except for the above-mentioned use for the production of workpieces with cavities and cavities, the support material according to the invention can also be used as a spacer, spacer, spacer and lost core in any form.
  • a combination of magnesium and at least one of the metals iron, nickel or copper is used. Especially these combinations have an optimal combination of mechanical load capacity and corrosivity.
  • the combination of magnesium and iron is particularly preferred because upon dissolution of the support material, an aqueous suspension is formed which contains only magnesium or its decomposition products formed by corrosion, and iron as metals. This combination is environmentally friendly and can be easily disposed of either as wastewater, without polluting the environment or being recycled. If other metals are used in addition to iron or instead of iron, it may be necessary to treat the resulting solution before disposal.
  • the mechanical properties and the environmental friendliness of the product formed after dissolution contribute to the carrier material according to the invention being particularly advantageous.
  • the support material according to the invention which consists of magnesium and at least one other metal component which is selected from iron, nickel and copper, is compacted by a mechanically stressing process.
  • the same procedures as outlined above and the same ratios of the components as set out above are also generally suitable for use of the support material as placeholders.
  • the dissolution of the placeholder is carried out in the same manner as stated above, namely with an aqueous solution containing ions, in particular an aqueous medium containing active anions.
  • aqueous media with chloride, nitrate and / or sulfate ions for example, seawater is a very suitable medium due to its good availability.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks mit mindestens einer Kavität, Ausnehmung, Aussparung, einem Hohlraum, einer Hinterschneidung oder einem sonstigen nicht ausgefüllten Anteil, und ein dazu geeignetes Trägermaterial.
  • Werkstücke mit nicht ausgefüllten Anteilen, wie Kavitäten, Aussparungen, Ausnehmungen, Hinterschneidungen, Hohlräumen usw., können mit verschiedenen Verfahren hergestellt werden. Nicht ausgefüllte Anteile wie beispielsweise Kavitäten, Aussparungen, Ausnehmungen, Hinterschneidungen, Hohlräume usw. werden der Einfachheit halber im folgenden generell als "Freiraum" bezeichnet, wobei dieser Ausdruck auch Räume umfasst, die nicht allseitig von einer Wand umgeben sind, wie Hinterschneidungen.
  • Bei einem zur Herstellung komplexer Formen geeigneten Verfahren werden nacheinander Schichten, die den Körper aufbauen, aufgespritzt. An den Stellen, an denen im fertigen Körper ein Freiraum entstehen soll, wird ein Material verwendet, das nach Fertigstellung des Körpers herausgenommen werden kann. Damit ein Material für derartige Verfahren eingesetzt werden kann, muss es nach Fertigstellung des Körpers zur Bildung des Freiraums entfernbar sein, wobei die Entfernung einfach und kostengünstig erfolgen muss.
  • In der Regel handelt es sich um lösliches Material, das nach Abschluss der Formgebung herausgelöst werden kann. Die Verwendung von wasserhaltigen Medien, die leicht verfügbar sind und leicht zu entsorgen sind, ist daher erwünscht.
  • Das als "Platzhalter" verwendete herauslösbare Material wird auch als "verlorener Kern" oder "verlorene Form" bezeichnet.
  • Ein für verlorene Kerne verwendbares Material muss diverse Anforderungen erfüllen, es muss unter anderem mechanische und thermische Belastungen aushalten. Diese Anforderungen werden von den für verlorene Kerne wünschenswerten wasserlöslichen Salzen nicht erfüllt. Obwohl Salze ein interessantes Material sind im Hinblick auf ihre Löslichkeit und Verfügbarkeit, ist ihr Einsatz aufgrund ihrer Sprödigkeit bei Verfahren, die mechanisch beanspruchen, wie thermisches Spritzen, Kaltgasspritzen, oder Kompaktieren nicht möglich. Die Salze können aufgrund ihrer Sprödigkeit der mechanischen Belastung, die bei derartigen Verfahren entsteht, nicht widerstehen.
  • Für diesen Fall muss daher ein anderes Material gefunden werden, das einerseits mechanische Belastungen bei der Herstellung des Werkstücks ohne Beschädigung aushält, andererseits aber nach Fertigstellung entfernbar ist, ohne das Werkstück zu zerstören.
  • In DE 19 716 524 wird vorgeschlagen, zur Herstellung von Körpern mit wenigstens einem Hohlraum einen wasserlöslichen Kern aus einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung bereitzustellen. Gegenstand dieser Anmeldung ist es, solche Magnesium- oder Aluminiumlegierungen zu verwenden, deren Oxidgehalt so eingestellt wird, dass einerseits die mechanische Festigkeit ausreichend hoch ist und andererseits die Löslichkeit ausreicht, um anschließend den Kern herauslösen zu können. Zur Erfüllung dieser Aufgabe war es notwendig, Legierungen zu verwenden und diesen einen hohen Anteil an Oxiden zuzusetzen.
  • US 3,722,574 A beschreibt die Herstellung von hohlen Teilen aus Superlegierungen durch ein Modellausschmelzverfahren, und im Besonderen die Herstellung von Metallteilen aus Kobalt- oder Nickel-Superlegierungen, die mit kleinen und engen Öffnungen und Durchlässen versehen sind. Das Modellausschmelzverfahren sieht dabei die Verwendung eines wasserlöslichen Kernes bei der Herstellung dieser hohlen Artikeln vor, wobei der Kern sich nach dem Gießen in dem Gussstück befindet und nach der Entfernung des Kerns Hohlräume entstehen.
  • US 3,701,379 A beschreibt ein Metallwerkstück, das innenliegende Abschnitte und Öffnungen aufweist, wobei das Metallwerkstück durch Gießen von geschmolzenem Metall in eine Form mit einem Magnesiumoxidkern erhalten werden kann. Der Kern kann dabei durch Formen einer Mischung aus Magnesiumoxid und Harz erhalten werden. Das Harz kann sodann langsam verflüchtigt werden, um den Kern aus reinem MgO zu bilden, der anschließend gesintert werden kann. Nach dem Gießen des Metalls in die Form und um den Kern, kann der Kern durch Auswaschen mit einem nicht korrosiven Medium aufgelöst werden.
  • Nach Fertigstellung des Formkörpers soll diese Legierung dann mit Wasser oder einer sauren oder basischen Lösung herausgelöst werden. Es wurde gefunden, dass dieses bekannte Material nicht für alle Formgebungsverfahren geeignet ist.
  • Es war nun Aufgabe der Erfindung, ein Trägermaterial bereitzustellen, das in nahezu jede beliebige Form gebracht werden kann, für nahezu jedes Formverfahren zur Bildung verlorener Kerne einsetzbar ist, nach Fertigstellung der Form mit vertretbarem Aufwand und im Wesentlichen ohne Schädigung des Formkörpers entfernbar ist und dessen Entfernung die Umwelt möglichst wenig belastet. Das Material soll auch entfernbar sein, wenn es sich um sehr komplexe oder sehr filigrane Formen, z.B. enge Kanäle handelt.
  • Darüberhinaus war es Aufgabe der Erfindung ein Material bereitzustellen, das auch mit thermischen Spritzverfahren, insbesondere kinetischem Spritzen oder Kaltgasspritzen, verarbeitbar ist, das somit mechanisch ausreichend belastbar ist und leicht verfügbar ist.
  • Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Trägermaterial, das als Platzhalter beim Aufbau von Werkstücken mit mindestens einem Freiraum verwendet werden kann, das aus einem korrodierbaren Material besteht, wobei das korrodierbare Material eine Mischung oder Legierung aus Magnesium und mindestens eine weitere Metallkomponenteist, deren Normalpotenzial unter Reaktionsbedingungen größer als das von Magnesium ist, wobei das Material mit einem mechanisch belastenden Verfahren kompaktiert worden ist.
  • Überraschenderweise wurde gefunden, dass ein korrodierbares Material, das Magnesium und ein weitere Metallkomponente mit einem bei Reaktionsbedingungen höheren Normalpotenzial enthält, bei Kontakt mit Wasser oder einem wässrigen Medium seine Struktur sehr schnell verliert, wobei das Magnesium sich auflöst und weitere vorhandene Metalle ggf. zumindest teilweise in Partikelform übrig bleiben. Das erfindungsgemäße Material hat eine Struktur, die eine Kombination interessanter Eigenschaften in sich vereint. Einerseits bietet das Material ausreichende Festigkeit, um in verschiedensten Verfahren als Platzhalter dienen zu können, der auch eine mechanische und thermische Beanspruchung aushält, die z.B. im Rahmen der Formgebung und/oder Bearbeitung erfolgt. Andererseits zersetzt sich bei Kontakt mit einer korrodierenden Flüssigkeit das Material sehr schnell.
  • In der vorliegenden Beschreibung wird dabei unter "Korrosion" jede elektrochemische Reaktion von Magnesium mit einem flüssigen Medium in Gegenwart einer weiteren Metallkomponente mit einem höheren Normalpotenzial verstanden, die zu einer weitgehenden oder vollständigen Auflösung des Magnesiums unter Gasbildung führt. Als korrodierendes Medium wird eine ionenhaltige Flüssigkeit bezeichnet, die Magnesium aufgrund einer elektrochemischen Reaktion in Gegenwart einer weiteren Metallkomponente mit einem höheren Normalpotenzial löst.
  • Der Ausdruck "höheres Normalpotenzial" bezieht sich dabei immer auf das Normalpotenzial einer Metallkomponente im Vergleich zu Magnesium unter den Reaktionsbedingungen (in Bezug auf Temperatur, Druck, Art und Menge der Ionen in der Lösung etc.) und nicht auf die Stellung in der Spannungsreihe.
  • Die korrodierende Reaktion von Magnesium und dem korrodierenden Medium verläuft in Gegenwart einer weiteren Metallkomponente. Der Ausdruck "Metallkomponente" bezeichnet insbesondere Metalle oder Metalllegierungen, die die Korrosionsreaktion von Magnesium begünstigen.
  • Die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen Materials entstehen einerseits durch die metallischen und mechanischen Eigenschaften des Magnesiums und weiterer Metallkomponenten und andererseits durch die Korrosionsfähigkeit des Magnesiums unter bestimmten Bedingungen.
  • Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass durch eine mechanisch belastende Verarbeitung des erfindungsgemäßen magnesiumhaltigen Materials, die z.B. bei der Formung des Platzhalters auftritt, z.B. eine Kompaktierung, die das Magnesiummetall schützende Magnesiumoxid- bzw. -hydroxidschicht so gestört wird, dass anschließend bei Kontakt mit einer korrodierenden Flüssigkeit die Magnesiumpartikel bzw. die Magnesiumstruktur sehr leicht angegriffen werden, was zu schneller Korrosion führt. Andererseits wird durch die kompaktierende Verarbeitung die weitere, edlere Komponente in so engen Kontakt mit dem Magnesium oder der Magnesiumlegierung gebracht, dass die korrodierende Reaktion sehr schnell erfolgen kann.
  • Es wurde gefunden, dass bei einem Metallpulver, das Magnesium und eine weitere Metallkomponente enthält, die bei den Reaktionsbedingungen ein höheres Normalpotenzial als Magnesium besitzt oder in anderen Worten edler als Magnesium ist, bei Kontakt mit einem korrodierenden Medium, in der Regel Wasser oder ein wässriges Medium, in der gewünschten Geschwindigkeit Auflösung eintritt. Besonders ausgeprägt ist diese Reaktion, wenn als korrodierendes Medium eine stark ionenhaltige Lösung verwendet wird. Diese an sich bekannte Korrodierbarkeit wird erfindungsgemäß dazu ausgenutzt, um ein Trägermaterial nach Fertigstellung eines Werkstücks in einfacher Weise und relativ umweltschonend zu entfernen.
  • Dazu wird das Trägermaterial nach Fertigstellung des Werkstücks zur Entfernung des Platzhalters mit einem korrodierenden Medium in Kontakt gebracht, wobei sich Magnesium löst und das nicht gelöste Trägermaterial zusammen mit dem magnesiumhaltigen Medium anschließend aus der gebildeten Form herausgespült wird.
  • Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass durch die Kompaktierung der Metallpulver ein Material entsteht, dessen Partikel ausreichend Kontakt haben, um eine elektrochemische Reaktion zu begünstigen. Gleichzeitig wird möglicherweise durch Belastung bzw. Verformung die die Teilchen umhüllende Schutzschicht soweit aufgebrochen, dass die Reaktion stattfinden kann und nicht gehemmt wird. Jedenfalls wurde festgestellt, dass dann, wenn die Metallpulver in kompaktierter Form vorliegen, mit einem korrodierenden Medium, in der Regel Wasser oder ein wässriges Medium, die Auflösung in der gewünschten Geschwindigkeit erreicht wird. Insbesondere kann mit dem erfindungsgemäßen Trägermaterial die Geschwindigkeit der Auflösungsreaktion gezielt eingestellt werden. Wenn demgegenüber Pulvermischungen mit hoher Porosität eingesetzt werden, die sich bei Zusatz von Wasser vollsaugen, kann ein unkontrollierbarer Reaktionsverlauf die Folge sein.
  • Bevorzugt wird daher erfindungsgemäß ein Material verwendet, dessen Porosität nicht höher als 20 Vol.-%, bevorzugt nicht höher als 5 Vol.-% ist. In einer besonders geeigneten Ausführungsform ist die Porosität kleiner als 1 %.
  • Wird ein erfindungsgemäßes Material, d.h. eine Magnesium enthaltende Mischung oder Legierung, das zuvor kompaktiert worden ist, mit einem korrodierenden Medium, bevorzugt einem leitfähigen wässrigen Medium in Kontakt gebracht, so löst sich das Magnesium zumindest weitestgehend auf. Erfindungsgemäß wird diese Wirkung ausgenutzt, um ein Trägermaterial nach Fertigstellung eines Werkstücks zu entfernen, indem die Mischung mit einem korrodierenden Medium in Kontakt gebracht wird und Trägermaterial und Medium, das das Magnesium gelöst enthält, anschließend aus der gebildeten Form herausgespült werden.
  • Überraschenderweise wurde festgestellt, dass auf diese Weise mechanisch hochbelastbares Material in Form von Metallpulver als Trägermaterial eingesetzt werden kann und nach Fertigstellung leicht entfernbar ist. Dieses Material ist vielfältig einsetzbar, insbesondere als verlorener Kern für die unterschiedlichsten Verfahren. Besonders gut geeignet ist das erfindungsgemäße Trägermaterial für die Herstellung von Werkstücken mit Kavitäten, Aussparungen, Ausnehmungen, Hinterschneidungen und Hohlräumen, insbesondere zur Herstellung von Hohlkörpern oder Werkstücken mit Hinterschneidungen unter Anwendung von thermischen Spritzverfahren.
  • Die Geschwindigkeit der Auflösung des Magnesiums ist abhängig von verschiedenen Faktoren, sodass es mit Routinemaßnahmen möglich ist, das jeweils optimale Material bzw. die optimalen Bedingungen herauszufinden und einzusetzen. Zu den Faktoren, die die Auflösung beeinflussen, gehören die Temperatur, die Kombination der Metalle, Art und Menge der in dem zur Auflösung verwendeten Medium enthaltenen Ionen, Flächenverhältnisse und mechanische Beanspruchung der Oberflächen sowie die Wasserstoffüberspannung.
  • Die Temperatur ist ein wichtiger Parameter, da die Reaktion umso schneller verläuft, je höher die Temperatur ist. Die elektrochemische Reaktion der Metalle mit Wasser ist exotherm. Die Geschwindigkeit der Auflösung kann daher, falls notwendig oder erwünscht, eingestellt werden, indem die Temperatur der Reaktion kontrolliert wird. So kann die Reaktion durch Zuführung von Wärme und/oder ggf. durch Ableitung von Wärme angepasst werden. Zuführung und Abführung von Wärme erfolgen im einfachsten Fall durch Verwendung von entsprechend temperiertem Medium als Lösungsmittel.
  • Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Kombination der in dem Trägermaterial angewendeten Metalle. Erfindungsgemäß wird eine Magnesiumlegierung oder eine Mischung von Magnesium mit mindestens einer weiteren Metallkomponente eingesetzt. Je nach zugefügten Metallen ist die Magnesium korrodierende Reaktion stärker oder weniger stark. Durch Auswahl des oder der weiteren Metalle kann daher die Schnelligkeit der Auflösung beeinflusst werden.
  • Es hat sich herausgestellt, dass Magnesium bereits alleine unter bestimmten Bedingungen, unter anderem wenn es ionenhaltiger Lösung ausgesetzt wird, zu Korrosion neigt. Die Korrosivität kann jedoch noch erhöht werden, wenn mindestens ein weitere Metallkomponente, die in Bezug auf Magnesium edler ist, d.h. ein höheres Standardpotenzial bzw. Normalpotenzial als Magnesium hat, zulegiert oder zugemischt wird. Jedes Metall, das unter den Bedingungen der durch Zugabe des korrodierenden Mediums erfolgenden Korrosionsreaktion ein höheres Normalpotenzial als Magnesium hat, ist daher für das erfindungsgemäße Trägermaterial geeignet. Einen besonders hohen Einfluss auf die Korrosivität haben Metalle mit niedriger Wasserstoffüberspannung und insbesondere die Metalle Eisen, Nickel und Kupfer, die daher in dem erfindungsgemäßen Trägermaterial bevorzugt einzeln oder in Kombination mit dem Magnesium gemischt bzw. legiert vorliegen. Besonders bevorzugt wird eine Kombination aus Magnesium und Eisen verwendet.
  • Ein weiterer wichtiger Faktor ist die mechanische Beanspruchung des Trägermaterials. Das erfindungsgemäße Trägermaterial wird aus Magnesium und mindestens einer weiteren Metallkomponente durch Kompaktierung hergestellt. Es wurde gefunden, dass dann, wenn vor oder bei der Formung das Material und damit die einzelnen Partikel stark beansprucht werden, die Korrosion sehr schnell voranschreitet. Dies dürfte, ohne an eine Theorie gebunden zu sein, darauf zurückzuführen sein, dass durch die Beanspruchung gegebenenfalls vorhandene das Magnesium schützende Hydroxid- oder Oxidschichten gestört oder zerstört werden, sodass der korrodierende Angriff danach schneller und heftiger erfolgen kann.
  • Als besonders geeignet hat sich eine Verarbeitung der Mischung bzw. Legierung aus mindestens zwei Metallen oder aus Magnesium und einer Metallkomponente, bevorzugt in Form ihrer Pulver, durch thermisches Spritzen erwiesen. Bei einer Verarbeitung mit thermischen Spritzen werden die einzelnen Partikel kompaktiert und daher in sehr engen Kontakt gebracht. Dieser Verfahrensschritt ist daher besonders geeignet, wenn eine Kombination aus mindestens zwei Metallpulvern, von denen eines Magnesium ist, eingesetzt wird. Darüberhinaus reduziert diese Behandlung die Porosität.
  • Ein weiterer Faktor, der die Korrosionsreaktion beschleunigen kann, ist der Anteil an Ionen und die Aktivität der Ionen, die in dem korrodierenden, bevorzugt wässrigen Medium, das zur Auflösung verwendet wird, enthalten sind. Es wurde gefunden, dass die Korrosion und damit Auflösung des Magnesiums umso schneller erfolgt, je mehr aktive Anionen zur Verfügung stehen. Besonders reaktiv in diesem Zusammenhang sind unter anderem Chlorid-, Nitrat- und Sulfationen. Diese Ionen führen zur Bildung leicht löslicher Magnesiumsalze, die die Auflösung beschleunigen.
  • Weiteren Einfluss auf die Korrosionsreaktion hat die Leitfähigkeit der wässrigen Lösung, die wiederum durch den Anteil an Ionen beeinflussbar ist. Ein wässriges Medium mit hoher Leitfähigkeit bzw. einem hohen Anteil an Ionen führt zu einer schnellen Auflösung. Bevorzugt werden daher stark ionenhaltige wässrige Medien zur Auflösung verwendet. Am meisten bevorzugt wird aufgrund ihrer Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit eine kochsalzhaltige Lösung verwendet. Meerwasser ist beispielsweise ein sehr gut geeignetes Medium. Aus wirtschaftlichen und Umweltgründen ist auch ionenhaltiges Abwasser aus anderen Prozessen sehr vorteilhaft, das auf diese Weise sehr gut verwertet werden kann.
  • Ein weiterer Faktor, der Einfluss auf die Korrosionsreaktion hat, ist das Flächenverhältnis von anodisch wirkenden Partikeln zu kathodisch wirkenden Partikeln und der Abstand zwischen anodisch und kathodisch wirkenden Partikeln. Der geringe Abstand zwischen Anode und Kathode kann durch die kompaktierende Verarbeitung hergestellt werden, die die Struktur des erfindungsgemäßen Trägermaterials erzeugt. Einfluss auf diesen Faktor hat auch der Anteil der einzelnen Komponenten.
  • Auch die Wasserstoffüberspannung hat Einfluss auf die Korrosion. Es wurde gefunden, dass in Kombination mit Magnesium Metalle mit niedriger Wasserstoffüberspannung effektive Kathoden darstellen und daher die Reaktion begünstigen. Zu Metallen mit niedriger Wasserstoffüberspannung gehören Nickel, Kupfer und Eisen, die daher bevorzugt sind.
  • Ein weiterer Faktor, der die Auflösungsgeschwindigkeit und den Ablauf der Reaktion beeinflusst, ist die Bewegung des Mediums. Wenn das Medium nach Beginn der Reaktion bewegt wird, wird die Bildung einer geschlossenen Deckschicht aus Magnesiumhydroxid über den Magnesiumpartikeln behindert, sodass die Korrosion wiederum weiter gefördert wird.
  • Erfindungsgemäß wird es daher möglich, durch Einstellung der oben genannten Faktoren den Verlauf der das Magnesium auflösenden Reaktion gezielt einzustellen. Damit kann die Geschwindigkeit dem Verfahren angepasst werden, wobei einer der oben genannten Faktoren oder mehrere eingestellt werden können.
  • Zur Erläuterung der Herstellung eines Werkstücks mit dem erfindungsgemäßen Trägermaterial wird auf das Spritzverfahren Bezug genommen, ohne die Erfindung hierauf einzuschränken. Aufgrund seiner ausgezeichneten mechanischen und chemischen Eigenschaften ist das erfindungsgemäße Trägermaterial für formgebende Verfahren beliebiger Art anwendbar. Das erfindungsgemäße Material zeichnet sich insbesondere durch seine Formbarkeit, Zerspanbarkeit, konturengetreue Schichtbildung, Abbildungseigenschaften und Verträglichkeit mit anderen Materialien aus. Es kann vorteilhaft besonders dann eingesetzt werden, wenn Formen durch Schichtenaufbau gebildet werden, die dann mechanisch nachbearbeitet werden zur Bildung einfacher und komplexer, auch filigraner Körper, die als Platzhalter für jede Art von Freiraum, incl. Hinterschneidungen in Materialien beliebiger Art dienen. Komplexe oder filigrane Formen können durch mechanische Bearbeitung, in der Regel spanende Bearbeitung, aus dem Material gebildet werden. Die aus dem erfindungsgemäßen Trägermaterial gebildeten Schichten folgen dem Untergrund, auf den sie aufgetragen werden, konturentreu und bleiben dort haften. Das erfindungsgemäße Material kann daher vielfältig eingesetzt werden.
  • Wenn Werkstücke mit einem Freiraum durch Spritzen hergestellt werden, wird der Körper schichtweise aufgebaut und in den Bereichen, die später den Freiraum oder die Hinterschneidung bilden sollen, das erfindungsgemäße Material aufgetragen, das nach Fertigstellung des Werkstücks herausspülbar ist. Die das Trägermaterial bildende Mischung bzw. Legierung wird so verarbeitet, dass aus den Metallpulvern oder der Legierung ein kompaktiertes Material entsteht, das auch in gesinterter Form vorliegen kann. Wichtig ist, dass die Metallpartikel der mindestens zwei Metalle in innigem Kontakt miteinander sind.
  • Selbst wenn es sich um "echte" Legierungen handelt, ist die Kompaktierung wichtig. Als Legierungen werden Materialien bezeichnet, die aus mindestens zwei Komponenten aufgebaut sind und mindestens ein Metall enthalten, wobei der zweite Legierungsbestandteil in dem Metall entweder gelöst und darin homogen verteilt ist, oder aber nur begrenzt gelöst ist, sodass eine legierungsreichere zweite Phase entsteht. In jedem Fall handelt es sich, wenn der zweite oder weitere Legierungsbestandteil auch metallisch ist, um intermetallische Verbindungen, d.h. Atome des einen Metalls sind in die Matrix des anderen Metalls eingebaut. Die makroskopischen Eigenschaften der Legierung unterscheiden sich von denen der einzelnen Metallpulver. Erfindungsgemäß wesentlich ist, dass ein kompaktiertes Material eingesetzt wird, da dieses die Reaktivität und den engen Kontakt liefert, die für die Korrosionsreaktion notwendig sind.
  • Das erfindungsgemäße Trägermaterial enthält Magnesiumpulver und mindestens ein weiteres Pulver aus verglichen mit Magnesium edlerem Metall oder Metallverbindung; bevorzugt besteht es im Wesentlichen nur aus Magnesium und Metall oder Metallpulver. Aufgrund der Potenzialdifferenz dieser beiden Komponenten kommt es bei Zugabe eines korrodierenden Mediums, insbesondere von Wasser oder einem wässrigen Medium zu einer Redoxreaktion, die dazu führt, dass sich das Magnesium als unedleres Metall auflöst.
  • Es kann zusätzlich zu den Metallen eine weitere Komponente enthalten sein, die weitere gewünschte Eigenschaften beiträgt. Diese Komponente kann ausgewählt werden aus den unterschiedlichsten Materialien, mit dem Vorbehalt, dass sie weder den Aufbau der Struktur noch die elektrochemische Zersetzung derselben stört. So kann zum Beispiel ein weiteres bezüglich der elektrochemischen Reaktion inertes Material zugefügt werden, das Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften hat, z.B. kann ein härteres Material als dritte Komponente zugesetzt werden, um die Haftung beim kinetischen Kompaktieren zu verbessern. Weiterhin ist es auch möglich als weitere Komponente ein die elektrochemische Reaktion katalysierendes Material zuzufügen, um Start und/oder Verlauf der Reaktion zu beeinflussen. Es kann sich um die Pulver bei der Lagerung phlegmatisierende Stoffe handeln, wie z.B. Kalk, mit dem Vorbehalt, dass sie die elektrochemische Reaktion nicht in schädlicher Weise beeinflussen. Falls eine weitere Komponente für das erfindungsgemäße Trägermaterial verwendet wird, sollte ihr Anteil 25 Volumenprozent nicht übersteigen. Die jeweils am besten geeignete Menge kann vom Fachmann durch Routineversuche festgestellt werden. Der Anteil darf nicht so hoch sein, dass er die Ausbildung der Struktur und den Verlauf der Reaktion stört. Andererseits muss die Menge ausreichend sein, um den gewünschten Effekt zu erzielen.
  • Die Metallpulver, die das erfindungsgemäße Material aufbauen, sind bezüglich der Korngröße und Kornform variabel. Die Form der Partikel ist unkritisch, es kommen sowohl kugelförmige als auch Flake-artige oder sonstige Formen in Betracht. Die Partikelgröße ist unkritisch, mit dem Vorbehalt, dass die Partikel nicht größer als der auszufüllende Freiraum sein dürfen. Beim thermischen Spritzen können Partikel mit einer Größe bis zu ca. 0,5 mm verarbeitet werden. Bevorzugt werden Partikel mit bis zu 0,25 mm verwendet.
  • Auch über die Partikelgröße der Pulver kann das Auflösungsverhalten beeinflusst werden, sodass für jede Anwendung das optimal geeignete Material mit Routineversuchen gewählt werden kann. Weiterhin können Kompaktierungsverhalten und Struktur durch Auswahl der Partikelgrößen der beiden Pulver und deren Verhältnis beeinflusst werden. Die Partikelgröße kann daher gezielt für ein Pulver oder beide so ausgewählt werden, dass die gewünschten Eigenschaften bezüglich Struktur und Auflösung entstehen.
  • Wenn das Werkstück fertig aufgebaut ist, wird ein korrodierendes Medium zugefügt. Das korrodierende Medium kann jede Flüssigkeit sein, die die Korrosionsreaktion unterstützt. In der Regel ist es ionenhaltiges Wasser oder eine wässrige Lösung, die die Redoxreaktion in Gang setzt oder fördert, durch die das Magnesium oxidiert wird, Hydroxidionen und gleichzeitig Wasserstoff entstehen. Dadurch löst sich ein Teil des Trägermaterials auf, die Struktur wird zerstört und die nicht gelösten Partikel werden freigesetzt. Diese Partikel werden dann zusammen mit der Lösung, die das Magnesium gelöst enthält, herausgespült. Durch die Gasentwicklung entsteht genug Bewegung, um die Reaktion in Gang zu halten, sogar wenn es sich um enge Kanäle oder filigrane Kavitäten handelt.
  • Bei der erfindungsgemäßen elektrochemischen Reaktion kann sich der pH-Wert in den sauren oder basischen Bereich verschieben, je nach eingesetztem Material und Medium. Wenn daher zur Herstellung des Werkstücks ein bei sauren oder basischen pH-Werten korrosionsanfälliges Material eingesetzt wird, kann dieses geschützt werden, indem Trägermaterial und/oder korrodierendes Medium entsprechend so ausgewählt werden, dass die Korrosion des Werkstückmaterials vermieden wird. So ist z.B. die Entstehung einer basischen Lösung dann vorteilhaft, wenn das den Formkörper bildende Material Stahl ist, da die basische Lösung hier gleichsam als Rostschutz wirkt. Für andere Werkstoffe kann ein leicht saurer pH-Wert, der durch das eingesetzte Medium erzielt werden kann, vorteilhafter sein.
  • Erfindungsgemäß wird somit ein Trägermaterial bereitgestellt, das sich nicht vollständig auflöst, sondern dessen Struktur bei Kontakt mit Wasser zerstört wird, da nur ein Teil gelöst wird, der allerdings ausreicht, um das gesamte Material herauszuspülen. Hierzu sind mindestens Magnesium und eine weitere Metallkomponente notwendig, die bevorzugt in möglichst reiner Form verwendet werden. Unter rein wird dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden, dass die Pulver höchstens kleine Anteile an Verunreinigungen störender Elemente enthalten.
  • Es wurde gefunden, dass die besten Ergebnisse dann erzielt werden können, wenn die zwei oder mehr Komponenten nach dem Auftragen in kompaktierter Struktur vorliegen. Eine derartige Struktur entsteht bevorzugt durch thermisches Spritzen, Kaltgasspritzen und/oder kinetisches Spritzen. Hier wird eine Struktur erreicht, bei der die Partikel eine verdichtete Matrix bilden. Bevorzugt hat das durch ein derartiges Verfahren aufgetragene Material eine Porosität unter 20%, besonders bevorzugt unter 5% und noch bevorzugter unter 1 %. Wenn die Porosität des Materials und dadurch der Anteil an offenen Poren zu hoch wird, könnte sich das Trägermaterial mit dem wässrigen Medium vollsaugen und, je nach Reaktionsbedingungen und Reaktionspartnern so schnell lösen, dass eine unkontrollierbare Reaktion mit hohem Gasdruck entstünde, was unerwünscht ist. Außerdem kann aufgrund einer Volumenzunahme durch Hydroxidbildung der Abtransport der nicht gelösten Partikel gestört sein.
  • Idealerweise ist die aus den Metallen gebildete Matrix so dicht, dass die Oberflächen der Teilchen ausreichend Kontakt haben, um die elektrochemische Reaktion bei Zusatz von Wasser zu fördern.
  • Die Metallpulver werden in solchen Anteilen eingesetzt, dass die elektrochemische Reaktion im gewünschten Umfang abläuft. Bei Zugabe von korrodierendem Medium löst sich das Magnesium zumindest teilweise auf, während das oder die weiteren Komponenten als Pulver zurückbleiben. Daher muss das Magnesium in einem solchen Anteil vorhanden sein, dass durch sein Herauslösen die vorher durch Kompaktieren gebildete Struktur soweit aufgelöst oder zerstört wird, dass das entstehende Material, d.h. im Wesentlichen Metallpartikel, herausspülbar ist.
  • Ist der Anteil an weiteren Metallen zu hoch, ist es schwierig, das Trägermaterial zu entfernen. Andererseits sollte der Anteil des/der edleren Metalle auch nicht zu gering sein, damit die elektrochemische Reaktion ausreichend schnell ablaufen kann. Geeigneterweise liegt das Volumenverhältnis von Magnesium zu den weiteren Komponenten zwischen 250:1 und 1:10. Bevorzugt werden die Metallpulver in einem Volumenverhältnis von Magnesium zu edlerem Metall von 5:1 bis 1:10, bevorzugt 3:1 bis 1:3 kombiniert. Besonders bevorzugt werden Magnesiumpulver und "edlere" Komponente in etwa gleichen Volumenanteilen kombiniert.
  • Bei Kontakt mit dem korrodierenden Medium zerfällt durch Auflösung des Magnesiums die Struktur, was dazu führt, dass das Trägermaterial ausgespült werden kann. Hierzu kann, wie oben ausgeführt, jede Magnesium korrodierende Flüssigkeit verwendet werden. Das korrodierende, bevorzugt wässrige Medium ist nicht kritisch und jedes Medium, das überwiegend aus Wasser besteht ist hier geeignet. Es ist darauf zu achten, dass keine die elektrochemische Reaktion negativ beeinflussende Inhaltsstoffe in dem Wasser enthalten sind. Bevorzugt wird ein wässriges Medium eingesetzt, das die elektrochemische Reaktion fördert, insbesondere eine ionenhaltige Lösung. Geeignet sind saure, neutrale und basische ionenhaltige Lösungen, z.B. Salzlösungen. Es können auch verdünnte Säuren oder Basen eingesetzt werden. Geeignet sind auch als Abwasser anfallende, ionenhaltige Medien. Diese sind aus Gründen der Umweltschonung und aus Kostengründen vorteilhaft. Es kann daher sowohl Leitungswasser als auch Abwasser aus anderen Prozessen, das bevorzugt salzhaltig ist, eingesetzt werden, solange es die Redoxreaktion nicht beeinträchtigt.
  • Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks mit wenigstens einem Freiraum, d.h. unter anderem einer Hinterschneidung, einer Kavität, einer Aussparung oder Ausnehmung, bei dem der den Freiraum bildende Raum mit einem Trägermaterial gefüllt wird, das nach Fertigstellung herausgespült wird, wobei das Trägermaterial ein Material ist, wie in Anspruch 1 definiert.
  • Es hat sich herausgestellt, dass das erfindungsgemäße Trägermaterial sehr gut geeignet ist, um einen verlorenen Kern für ein Formverfahren zu bilden, bei dem Werkstücke mit Hohlräumen oder Hinterschneidungen gebildet werden. Das erfindungsgemäße Trägermaterial zeichnet sich durch seine mechanische Belastbarkeit aus, sodass es überall dort eingesetzt werden kann, wo ein mechanisch belastbares Material notwendig ist. Darüberhinaus lässt es sich mit formgebenden Verfahren bearbeiten, insbesondere kann es mit spanenden Verfahren zu komplexen Formen geformt werden.
  • Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Trägermaterial für die Verarbeitung mit thermischem Spritzen, kinetischem Kompaktieren oder Kaltgasspritzen.
  • Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Material verwendet für ein Verfahren zur Herstellung von Werkstücken, bei dem ein schichtweiser Aufbau durch thermisches Spritzen erfolgt, wobei die Schichten gegebenenfalls dann noch spanend nachbearbeitet werden.
  • Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks bereitgestellt, bei dem durch thermisches Spritzen, kinetisches Kompaktieren oder Kaltgasspritzen eine Struktur aufgebaut wird, wobei die Bereiche, die im fertigen Körper einen Freiraum bilden sollen, mit dem erfindungsgemäßen Trägermaterial gebildet werden, wobei das Trägermaterial nach Fertigstellung des Werkstücks durch Kontakt mit einem korrodierenden Medium entfernt wird.
  • Das erfindungsgemäße Trägermaterial kann auch für andere Verfahren, bei denen ein Platzhalter benötigt wird, eingesetzt werden, ist aber besonders vorteilhaft für Verfahren, bei denen thermisches Spritzen eingesetzt wird. Bevorzugt erfolgt das thermische Spritzen durch kinetisches Spritzen.
  • Überraschenderweise wurde festgestellt, dass das erfindungsgemäße Trägermaterial sehr gut geeignet ist, um verlorene Kerne zu bilden. Es kann zu vielfältigen Formen verarbeitet werden. Nach Fertigstellung des Werkstücks wird durch Kontakt mit einem korrodierenden Medium die bei der Aufbringung des Materials entstandene Matrix durch eine elektrochemische Reaktion zerstört und durch die Bewegung aufgrund der Gasbildung während der elektrochemischen Reaktion entsteht genug Wasseraustausch, um die elektrochemische Reaktion in geeigneter Weise voranzutreiben. Das bei Zerstörung der Matrix zurückbleibende Metallpulver kann dann leicht zusammen mit der entstehenden Lösung ausgespült werden und ggf. wiederverwendet werden.
  • Die elektrochemische Reaktion und damit die Auflösung des Magnesiums und die Zerstörung der Struktur können in einer bevorzugten Ausführungsform gefördert werden, indem bei und nach Zugabe des wässrigen Mediums für eine Bewegung des Mediums gesorgt wird. Dies kann z.B. durch Spülen, durch Bewegen des Werkstücks oder durch Ultraschallbehandlung geschehen.
  • Erfindungsgemäß wird daher ein Trägermaterial bereitgestellt, das aufgrund seiner mechanischen Belastbarkeit sowie Duktilität und seiner elektrochemischen Reaktionsfähigkeit eine ideale Kombination von Eigenschaften liefert. Weiterhin wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, mit dem auch sehr komplizierte Formen hergestellt werden können, da es möglich ist, die Werkstücke schichtweise durch Spritzverfahren aufzubauen und anschließend selbst komplizierte Aussparungen, Kavitäten, Ausnehmungen, Hohlräume, Hinterschneidungen oder sonstige nicht ausgefüllte Anteile durch Herausspülen des Trägermaterials zu bilden.
  • Es wurde überraschenderweise gefunden, dass das oben beschriebene erfindungsgemäße Material sich sehr gut eignet für jede Form von Platzhalter. Aufgrund der vorteilhaften mechanischen und elektrochemischen Eigenschaften kann das erfindungsgemäße Trägermaterial immer dann eingesetzt werden, wenn es notwendig ist, über einen bestimmten Zeitraum einen Platz freizuhalten und anschließend das Platzhaltermaterial zu entfernen. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Trägermaterial geeignet, wenn der Platzhalter in seiner Funktion mechanisch beansprucht wird, z.B. Belastungen ausgesetzt ist. Außer für die oben erwähnte Verwendung zur Herstellung von Werkstücken mit Hohlräumen und Kavitäten kann das erfindungsgemäße Trägermaterial daher auch als Distanzstück, Abstandshalter, Platzhalter und verlorener Kern in jeglicher Form eingesetzt werden.
  • Besonders bevorzugt wird hierfür eine Kombination aus Magnesium und mindestens einem der Metalle Eisen, Nickel oder Kupfer verwendet. Gerade diese Kombinationen weisen eine optimale Verbindung von mechanischer Belastungsfähigkeit und Korrosivität auf. Die Kombination aus Magnesium und Eisen ist besonders bevorzugt, da beim Lösen des Trägermaterials eine wässrige Suspension entsteht, die nur Magnesium bzw. dessen, durch Korrosion entstandene Abbauprodukte, und Eisen als Metalle enthält. Diese Kombination ist umweltfreundlich und kann in einfacher Weise entweder als Abwasser entsorgt werden, ohne die Umwelt zu belasten oder aber recycelt werden. Werden andere Metalle zusätzlich zu Eisen oder statt Eisen eingesetzt, so kann es notwendig sein, die entstehende Lösung vor Entsorgung aufzubereiten.
  • Die mechanischen Eigenschaften und die Umweltfreundlichkeit des nach Auflösen entstehenden Produktes tragen dazu bei, dass das erfindungsgemäße Trägermaterial besonders vorteilhaft ist.
  • Wie oben bereits ausgeführt, wird das erfindungsgemäße Trägermaterial, das aus Magnesium und mindestens einer weiteren Metallkomponente besteht, die ausgewählt ist aus Eisen, Nickel und Kupfer, durch ein mechanisch belastendes Verfahren kompaktiert. Dieselben Verfahren, wie oben ausgeführt und dieselben Verhältnisse der Komponenten wie oben ausgeführt sind auch für die Verwendung des Trägermaterials allgemein als Platzhalter geeignet. Auch die Herauslösung des Platzhalters erfolgt auf dieselbe Art und Weise, wie oben ausgeführt, nämlich mit einer Ionen enthaltenden wässrigen Lösung, insbesondere einem wässrigen Medium, das aktive Anionen enthält. Als geeignet in diesem Zusammenhang können wässrige Medien mit Chlorid-, Nitrat- und/oder Sulfationen erwähnt werden. Aufgrund seiner guten Verfügbarkeit ist beispielsweise Meerwasser ein sehr gut geeignetes Medium.

Claims (15)

  1. Trägermaterial zur Verwendung als verlorener Kern oder verlorene Form beim Aufbau von Werkstücken mit mindestens einem Freiraum, das aus einem korrodierbaren Material besteht, wobei das korrodierbare Material eine Mischung oder Legierung aus Magnesium und mindestens einer weiteren Metallkomponente ist, deren Normalpotenzial unter Reaktionsbedingungen größer als das von Magnesium ist, wobei das Material mit einem mechanisch belastenden Verfahren kompaktiert worden ist, wobei der Freiraum eine Kavität, eine Aussparung, eine Ausnehmung, eine Hinterschneidung oder ein Hohlraum ist.
  2. Trägermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Magnesium und edlere Komponente(n) in einem Volumenverhältnis von 250:1 bis 1:10 vorliegen.
  3. Trägermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Magnesium und edlere Komponente(n) in einem Volumenverhältnis von 5:1 bis 1:10 vorliegen.
  4. Trägermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das kompaktierende Verfahren thermisches Spritzen, kinetisches Spritzen oder Kaltgasspritzen ist.
  5. Trägermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zerspanbar und/oder verformbar ist.
  6. Trägermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Porosität von unter 20 Vol.-%, insbesondere von unter 5 Vol.-% oder von unter 1 Vol.-% hat.
  7. Trägermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelgröße kleiner 0,5 mm, insbesondere kleiner 0,25 mm ist.
  8. Trägermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Metallkomponente Eisen und/oder Nickel und/oder Kupfer ist.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks mit mindestens einem Freiraum, wobei zur Herstellung des Werkstücks der mindestens eine Freiraum aus einem Trägermaterial als verlorener Kern oder verlorene Form gebildet wird, das nach Fertigstellung des Körpers ohne Beschädigung des Körpers entfernbar ist, durch Inkontaktbringen mit einem korrodierenden Medium und Herausspülen der Suspension aus Trägermaterial und Medium, wobei das Trägermaterial aus Magnesium und mindestens einer weiteren Metallkomponente gebildet ist und in kompaktierter Form vorliegt, wobei der Freiraum eine Kavität, eine Aussparung, eine Ausnehmung, eine Hinterschneidung oder ein Hohlraum ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Werkstücks mit thermischem Spritzen, kinetischem Spritzen oder KaltgasSpritzen erfolgt; oder
    dass die Herstellung des Werkstücks mit Sintern und Pressen erfolgt.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Auflösung eingestellt wird durch Temperierung des korrodierenden Mediums; oder
    dass die Geschwindigkeit der Auflösung eingestellt wird durch Auswahl der Art und Menge an Ionen in dem korrodierenden Medium.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auflösung des Trägermaterials eine wässrige Lösung verwendet wird, die Nitrat-, Sulfat- und/oder Chloridionen enthält.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als korrodierendes Medium Kochsalzlösung verwendet wird.
  14. Verwendung eines Trägermaterials wie in einem der Ansprüche 1 bis 8 definiert zur Herstellung einer verlorenen Form durch Auftrag mit einem kompaktierenden Verfahren.
  15. Verwendung eines Trägermaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als verlorener Kern für laminiertechnische Verfahren oder beschichtende Verfahren.
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