EP4034323A1 - Metallkörper und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Metallkörper und verfahren zu ihrer herstellung

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EP4034323A1
EP4034323A1 EP20775648.7A EP20775648A EP4034323A1 EP 4034323 A1 EP4034323 A1 EP 4034323A1 EP 20775648 A EP20775648 A EP 20775648A EP 4034323 A1 EP4034323 A1 EP 4034323A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
alloys
metal
metal body
aluminum
silicon
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20775648.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
René Poss
Monika Berweiler
Meike Roos
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.)
Alantum Europe GmbH
Original Assignee
Evonik Operations GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Evonik Operations GmbH filed Critical Evonik Operations GmbH
Publication of EP4034323A1 publication Critical patent/EP4034323A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates to processes for the production of coated metal bodies, in which metal powder compositions are applied to metal bodies, so that coated metal bodies are obtained, the coating of which contains one or more wax components. These metal bodies are then heated up to the melting temperature of the wax, cooled down again to room temperature and then thermally treated so that alloy formation between parts of the metal body and the applied metal powder is achieved. The melting and subsequent cooling of the wax enables access to metal bodies with a more uniform alloy covering. Corresponding processes are used, among other things, in sintering technology. The present invention also relates to methods in which these thermally treated metal bodies are then treated with a basic solution. Corresponding processes are used, inter alia, in the production of catalysts. The present invention also relates to the metal bodies obtainable with the processes disclosed herein, which are used, for example, as support and structural components and in catalyst technology. State of the art
  • a problem with these methods is the occurrence of non-uniform alloy coverage of the metal bodies, i.e. that some parts of the surface of the metal bodies have a high alloy coverage and others have a low alloy coverage. This, in turn, can have various disadvantages, depending on the intended use. The cause of the inconsistent alloy coverage is not yet clear.
  • the present invention is a.
  • Processes according to the invention for the production of coated metal bodies comprise the following steps: (a) applying a metal powder composition to a metal body, so that a coated metal body 1 is obtained, the coating of which contains one or more wax components,
  • step (c) thermal treatment of the coated metal body 2 in order to achieve alloy formation between metallic components of metal body and metal powder composition, so that metal body 3 is obtained, the metal body used in step (a) comprising a metal component selected from the following group: Nickel, cobalt, copper, iron, and wherein the metal powder composition used in step (a) comprises a powdered metal component which contains aluminum, silicon or magnesium in elemental or alloyed form.
  • step (b) In contrast to the methods of the prior art, in the methods according to the invention, before the thermal treatment to form the alloy, a wax is first melted and then cooled again (cf. step (b)).
  • Experimental results obtained in connection with the present invention show that it is necessary to actually carry out the melting and cooling of the wax described in step (b) prior to the thermal treatment for alloy formation in order to achieve the intended more uniform alloy coverage. It is not enough to simply mix in wax from the metal powder and then carry out the thermal treatment for alloy formation (step (c)) following the application of the metal powder (step (a)).
  • step (a) of method 1 according to the invention a metal powder composition is applied to a metal body, so that a coated metal body 1 is obtained, the coating of which contains one or more wax components.
  • step (a) of the method according to the invention can be carried out in a variety of ways, e.g. B. by bringing the metal body with the metal powder composition in contact by rolling or dipping or applying the metal powder composition by spraying, sprinkling or pouring.
  • the metal powder composition can be present as a suspension or in the form of a powder.
  • the actual application of the metal powder composition to the metal body in step (a) of the method according to the invention is preferably preceded by a prior impregnation of the metal body with a binder.
  • the impregnation can be done, for example, by spraying of the binder or immersion of the metal body in the binder, but is not limited to these possibilities.
  • the metal powder composition can then be applied to the metal body prepared in this way.
  • the binder and metal powder composition can be applied in one step.
  • the metal powder composition is either suspended in the liquid binder itself prior to application, or the metal powder composition and binder are suspended in an auxiliary liquid F.
  • the binder is a composition which is obtained by thermal treatment in the
  • Temperature range from 100 to 400 ° C can be completely converted into gaseous products, comprising an organic compound that favors adhesion of the metal powder composition to the metal body.
  • the organic compound is preferably selected from the following group: polyethylene amines (PEI), polyvinylpyrrolidone (PVP), ethylene glycol, mixtures of these compounds. PEI is particularly preferred.
  • the molecular weight of the polyvinylpyrrolidone is preferably in a range from 10,000 to 1,300,000 g / mol.
  • the molecular weight of the polyethylene emines is preferably in a range from 10,000 to 1,300,000 g / mol.
  • the molecular weight of the polyethylene emines (PEI) is particularly preferably in a range from 700,000 to 800,000 g / mol.
  • Auxiliary liquid F must be suitable to suspend the metal powder composition and binder and be able to be converted completely into gaseous products by thermal treatment in the temperature range from 100 to 400 ° C.
  • Auxiliary liquid F is preferably selected from the following group: water, ethylene glycol, PVP and mixtures of these compounds.
  • the binder is suspended in water at a concentration in the range from 1 to 10% by weight, then the metal powder composition is suspended in this suspension.
  • a coated metal body 1 is obtained, the coating of which contains one or more wax components, one or more wax components must be added to the coating.
  • the following procedures can be selected individually or in combination:
  • one or more wax components are added to the metal powder composition (procedure (i)).
  • Waxes are substances that are defined by their mechanical-physical properties. Their chemical composition and origin can be very different. Waxes differ from similar synthetic or natural products (e.g. resins, plastic compounds, metal soaps, etc.) mainly in that they are generally between 50 and 90 ° C, in exceptional cases up to about 250 ° C, in the molten , low-viscosity state and are practically free of ash-forming compounds.
  • the waxes are divided into three groups according to their origin, namely (i) natural waxes, including vegetable waxes (e.g.
  • montan ester waxes sasol waxes, hydrogenated jojoba waxes, etc.
  • synthetic waxes including polyalkylene waxes, polyalkylene glycol waxes (e.g. polyethylene glycol waxes) etc .
  • the main constituents of natural recent (“renewable") waxes are esters of long-chain fatty acids (wax acids) with long-chain fatty alcohols, triterpenes or steroid alcohols; these wax esters also contain free carboxyl and / or hydroxyl groups.
  • Natural fossil waxes e.g.
  • hydrocarbon waxes are often functionalized by subsequent oxidation or, in the case of polyolefin waxes, also by comonomers with carboxyl groups.
  • a substance or mixture of substances is referred to as a wax component in the context of the present invention if it
  • thermolysis in the temperature range from 100 to 400 ° C
  • wax components which are hydrophobic, ie surfaces made from these substances or substance mixtures or surfaces coated with these substances or substance mixtures form a contact angle with water that is greater than 90 degrees.
  • All wax components preferably have a solidification temperature in the range from 90 to 250.degree.
  • Wax components with solidification temperatures between 45 and 160.degree. C. in particular those with solidification temperatures between 100 and 160.degree. C., are particularly preferred.
  • the wax component is particularly preferably a stearamide wax (ethylene bis (stearamide), EBS).
  • the total amount of all wax components is chosen such that their proportion of the total mass of the coating of metal body 2 (obtained after step (b) of the method according to the invention) is between 0.5 and 5% by weight.
  • the proportion of the total amount of all wax components in the total mass of the coating of metal body 2 is preferably between 1% by weight and 4% by weight.
  • the total mass of the coating of metal body 2 corresponds to the difference in mass between metal body 2 and the uncoated metal body used in step (a).
  • the metal body used in step (a) comprises a metal component selected from the following group: nickel, cobalt, copper, iron.
  • the metal body used in step (a) consists of one of the following:
  • the metal body used in step (a) consists of a metal which is selected from the following group: Ni, Fe, Co, Cu.
  • the metal bodies used in step (a) of the method according to the invention can have any shape, for example cubic, parallelepiped, cylindrical etc. can.
  • the metal bodies used in step (a) of the process according to the invention are preferably in the form of foams, nets, woven, knitted or knitted fabrics.
  • the metal body used in step (a) is a metal foam body.
  • metal foam body is understood to mean a foam-shaped metal body, as disclosed, for example, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, chapter “Metallic Foams”, published online on July 15, 2012, DOI: 10.1002 / 14356007. c16_c01 pub2.
  • metal foams with different morphological properties with regard to pore size and shape, layer thickness, surface density, geometric surface, porosity, etc. are suitable.
  • a metal foam made of Ni, Cu and / or Co preferably has a density in the range from 400 to 1500 g / m 2 , a pore size of 400 to 3000 ⁇ m, preferably from 400 to 800 ⁇ m and a thickness in the range from 0.5 to 10 mm, preferably from 1.0 to 5.0 mm.
  • the production can take place in a manner known per se.
  • a foam made from an organic polymer can be coated with at least a first metal and then the polymer removed, e.g. B. by thermolysis or dissolving in a suitable solvent, whereby a metal foam is obtained.
  • the foam composed of the organic polymer can be brought into contact with a solution or suspension which contains the first metal.
  • a solution or suspension which contains the first metal This can e.g. B. be done by spraying or dipping. Deposition by means of chemical vapor deposition (CVD) is also possible. So z. B. coated a polyurethane foam with the first metal and then thermolyzed the polyurethane foam.
  • a polymer foam suitable for producing moldings in the form of a foam preferably has a pore size in the range from 100 to 5000 ⁇ m, particularly preferably from 450 to 4000 ⁇ m and in particular from 450 to 3000 ⁇ m.
  • a suitable polymer foam preferably has a layer thickness of 5 to 60 mm, particularly preferably 10 to 30 mm.
  • a suitable polymer foam preferably has a density of 300 to 1200 kg / m 3 .
  • the specific surface area is preferably in a range from 100 to 20,000 m 2 / m 3 , particularly preferably from 1000 to 6000 m 2 / m 3 .
  • the porosity is preferably in a range from 0.50 to 0.95.
  • the metal powder composition used in step (a) of the process according to the invention can contain, in addition to one or more powdered metal components, one or more wax components and / or additives which contribute to increasing the flowability or water resistance. Such additives must be able to be converted completely into gaseous products by thermal treatment in the temperature range from 100 to 400 ° C.
  • the metal powder used in step (a) of the method according to the invention Composition comprises one or more powdery metal components selected from the following group: aluminum, aluminum alloys, silicon, silicon alloys, magnesium, magnesium alloys.
  • the metal powder composition used in step (a) comprises one or more powdery metal components selected from the following group: aluminum, silicon, magnesium, alloys of aluminum and chromium, alloys of aluminum and molybdenum, alloys of aluminum and copper , Alloys of aluminum and iron, alloys of aluminum and iron and chromium, alloys of aluminum and titanium, alloys of aluminum and molybdenum and titanium, alloys of silicon and chromium, alloys of silicon and molybdenum, alloys of silicon and copper, alloys of silicon and iron, alloys of silicon and iron and chromium, alloys of silicon and titanium, alloys of silicon and molybdenum and titanium, alloys of magnesium and chromium, alloys of magnesium and molybdenum, alloys of magnesium and copper, alloys of magnesium and iron, alloys of magnesium and iron and chromium, alloys of Magnesium and titanium, alloys of magnesium and molybdenum and titanium.
  • the metal powder composition used in step (a) comprises powdered aluminum.
  • the metal powder composition used in step (a) consists of powdered aluminum and one or more powdery wax components.
  • the metal powder composition used in step (a) of the method according to the invention contains one or more wax components.
  • wax components increases the flowability of the metal powder composition and thus its technical conveyability.
  • wax components protect the metal powder composition from water absorption and furthermore reduce the extent of chemical reactions between the powdered metals and water and thus possibly also suppress the formation of hydrogen.
  • the metal powder composition preferably has a metal component content in the range from 80 to 99.8% by weight.
  • Compositions in which the metal component particles have a particle size of not less than 5 ⁇ m and not greater than 200 ⁇ m are preferred.
  • Compositions in which 95% of the metal component particles have a particle size of not less than 5 ⁇ m and not greater than 75 ⁇ m are particularly preferred.
  • the composition may also contain metal components in oxidized form. This oxidized fraction is usually in the form of oxidic compounds such as oxides, hydroxides and / or carbonates.
  • the mass fraction of the oxidized fraction is typically in the range from 0.05 to 10% by weight of the total mass of the metal powder composition.
  • step (b) of the method according to the invention the coated metal body 1 is heated to the melting temperature of at least one of the wax components and then cooled to room temperature, so that a coated metal body 2 is obtained.
  • the coated metal body 1 is typically heated to a temperature in the range from 90 to 250 ° C. in this step.
  • a furnace is usually used as the heat source for heating the coated metal body 1 in step (b), but in principle other heat sources such as infrared lamps can also be used.
  • the cooling to room temperature does not have to take place at a controlled cooling rate and is typically achieved by switching off the heat source used for heating and allowing the metal body to equilibrate to room temperature.
  • the metal body can be surrounded by a gas atmosphere composed of air, oxygen or inert protective gas, which can be present at ambient pressure, normal pressure or a slight vacuum (1 to 300 mbar).
  • step (b) of the process according to the invention the aim is merely to melt and cool wax components, but it is not intended in this step to remove organic components by thermolysis or to trigger alloying between metal components.
  • room temperature is understood as a temperature of 25 ° C.
  • the coated metal body 1 is heated to the melting temperature of precisely one of the wax components and then cooled to room temperature. In another embodiment, the coated metal body 1 is heated until all of the wax components have melted and then cooled to room temperature. In a preferred embodiment, the coated metal body 1 is heated until at least half of the total mass of all wax components has melted and then cooled to room temperature.
  • step (c) of the method according to the invention the coated metal body 2 is thermally treated in order to achieve alloy formation between metallic components of metal body and metal powder composition, so that metal body 3 is obtained.
  • the thermal treatment comprises the heating of the coated metal body 2, usually in stages, and the subsequent cooling to room temperature.
  • Suitable alloying conditions for step (c) result from the phase diagrams of the metals and intermetallic phases involved, e.g. B. the phase diagram of Ni and AI. So z. B. the proportion of Al-rich and leachable components, such as NiAb and N12AI3, can be controlled.
  • the thermal treatment takes place under inert gas or under reductive conditions.
  • Reductive conditions are understood to mean the presence of a gas mixture which contains hydrogen and at least one gas which is inert under the reaction conditions.
  • B a gas mixture that contains 50 vol% N2 and 50 vol% H2.
  • the inert gas used is preferably nitrogen.
  • the heating can, for. B. be done in a belt furnace. Suitable heating rates are in the range from 10 to 200 K / min, preferably 20 to 180 K / min. It can be advantageous to keep the temperature constant during certain periods of the thermal treatment, so that a gradual Heating and / or cooling takes place. During the thermal treatment, the temperature is typically first increased from room temperature to about 300 to 400 ° C.
  • the temperature is increased to about 650 to 750 ° C increased until alloying between the metallic parts of the metal body and the metal powder composition takes place and then the metal body is quenched by contact with a protective gas environment at a temperature of approx. 200 ° C.
  • the present invention further comprises methods with the following step (d): treating the metal body 3 with a basic solution.
  • the treatment of the metal body 3 with a basic solution can serve to at least partially dissolve metal components of the applied metal powder composition as well as alloys between metallic parts of metal body and metal powder composition and in this way to remove them from the metal body.
  • 30 to 70% by weight of the total mass of the metal components of the applied metal powder composition and of the alloys between the metallic parts of the metal body and the metal powder composition are removed from the metal bodies by the treatment with basic solution.
  • Aqueous basic solutions of NaOH, KOH, LiOH or mixtures thereof are typically used as basic solutions.
  • the temperature during the basic treatment is usually kept in the range from 25 to 120 ° C.
  • the duration of the treatment with basic solution is typically in the range from 5 minutes to 8 hours.
  • metal bodies obtained as a result of the treatment with basic solution can be used as catalysts, as disclosed, for example, in WO2019057533A1.
  • the treatment of the metal body 3 with a basic solution is carried out for a period in the range from 5 minutes to 8 hours, at a temperature in the range from 20 to 120 ° C., the basic solution being an aqueous NaOH solution with a NaOH concentration is between 2 and 30 wt%.
  • the present invention further comprises coated metal bodies obtainable by one of the processes according to the invention.
  • the present invention also relates to methods and the metal bodies obtainable thereby, in which the metal body used in step (a) consists of a metal selected from the following group: Ni, Fe, Co, Cu, and at which in step (d) metal body 3 is treated with a basic solution.
  • the present invention also relates to methods and the metal bodies obtainable thereby, in which the metal powder composition used in step (a) comprises one or more powdery metal components selected from the following group: aluminum, silicon, magnesium, alloys of aluminum and chromium, alloys of aluminum and molybdenum, alloys of aluminum and copper, alloys of aluminum and iron, alloys of aluminum and iron and chromium, alloys of aluminum and titanium, alloys of aluminum and molybdenum and titanium, alloys of silicon and chromium, alloys of silicon and molybdenum, alloys of silicon and copper, alloys of silicon and iron , Alloys of silicon and iron and chromium, alloys of silicon and titanium, alloys of silicon and molybdenum and titanium, alloys of magnesium and chromium, alloys of magnesium and molybdenum, alloys of magnesium and copper,
  • the present invention also relates to methods and the metal bodies obtainable thereby, in which the metal body used in step (a) consists of a metal selected from the following group: Ni, Fe, Co, Cu, and at which the metal powder composition used in step (a) comprises one or more powdered metal components selected from the following group: aluminum, silicon, magnesium, alloys of aluminum and chromium, alloys of aluminum and molybdenum, alloys of aluminum and copper, alloys of Aluminum and iron, alloys of aluminum and iron and chromium, alloys of aluminum and titanium, alloys of aluminum and molybdenum and titanium, alloys of silicon and chromium, alloys of silicon and molybdenum, alloys of silicon and copper, alloys of silicon and iron, Alloys of silicon and iron and chromium, alloys of silicon and titanium, Al alloys of silicon and molybdenum and titanium, alloys of magnesium and chromium, alloys of magnesium and molybdenum, alloys of magnesium and copper,
  • the present invention also relates to processes and the metal bodies obtainable thereby, in which the metal body used in step (a) consists of a metal selected from the following group: Ni, Fe, Co, Cu, and in which the metal powder composition used in step (a) comprises one or more powdered metal components selected from the following group: aluminum, silicon, magnesium, alloys of aluminum and chromium, alloys of aluminum and molybdenum, alloys of aluminum and copper, alloys of aluminum and iron, alloys of aluminum and iron and chromium, alloys of aluminum and titanium, alloys of aluminum and molybdenum and titanium, alloys of silicon and chromium, Alloys of silicon and molybdenum, alloys of silicon and copper, alloys of silicon and iron, alloys of silicon and iron and chromium, alloys of silicon and titanium, alloys of silicon and molybdenum and titanium, alloys of magnesium and chromium, alloys of magnesium and Molybdenum, alloys of magnesium and copper,
  • the present invention also relates to methods and the metal bodies obtainable thereby, in which the metal body used in step (a) consists of a metal selected from the following group: Ni, Fe, Co, Cu, and at which the metal powder composition used in step (a) comprises one or more powdered metal components selected from the following group: aluminum, silicon, magnesium, alloys of aluminum and chromium, alloys of aluminum and molybdenum, alloys of aluminum and copper, alloys of Aluminum and iron, alloys of aluminum and iron and chromium, alloys of aluminum and titanium, alloys of aluminum and molybdenum and titanium, alloys of silicon and chromium, alloys of silicon and molybdenum, alloys of silicon and copper, alloys of silicon and iron, Alloys of silicon and iron and chromium, alloys of silicon and titanium, Al alloys of silicon and molybdenum and titanium, alloys of magnesium and chromium, alloys of magnesium and molybdenum, alloys of magnesium and copper,
  • the present invention also relates to processes and the metal bodies obtainable thereby, in which the metal body used in step (a) consists of a metal selected from the following group: Ni, Fe, Co, Cu, and in which the metal powder composition used in step (a) comprises one or more powdered metal components selected from the following group: aluminum, silicon, magnesium, alloys of aluminum and chromium, alloys of aluminum and molybdenum, alloys of aluminum and copper, alloys of aluminum and iron, alloys of aluminum and iron and chromium, alloys of aluminum and titanium, alloys of aluminum and molybdenum and titanium, alloys of silicon and chromium, alloys of silicon and molybdenum, alloys of silicon and copper, alloys of silicon and iron, alloys of silicon and iron and chromium, alloys of silicon and titanium, alloys erations of silicon and molybdenum and titanium, alloys of magnesium and chromium, alloys of magnesium and molybdenum, alloys of magnesium and copper, All
  • the present invention also relates to methods and the metal bodies obtainable thereby, in which the metal body used in step (a) consists of a metal selected from the following group: Ni, Fe, Co, Cu, and at which the metal powder composition used in step (a) comprises one or more powdered metal components selected from the following group: aluminum, silicon, magnesium, alloys of aluminum and chromium, alloys of aluminum and molybdenum, alloys of aluminum and copper, alloys of Aluminum and iron, alloys of aluminum and iron and chromium, alloys of aluminum and titanium, alloys of aluminum and molybdenum and titanium, alloys of silicon and chromium, alloys of silicon and molybdenum, alloys of silicon and copper, alloys of silicon and iron, Alloys of silicon and iron and chromium, alloys of silicon and titanium, Al alloys of silicon and molybdenum and titanium, alloys of magnesium and chromium, alloys of magnesium and molybdenum, alloys of magnesium and copper,
  • the present invention also relates to processes and the metal bodies obtainable thereby, in which the metal body used in step (a) consists of a metal selected from the following group: Ni, Fe, Co, Cu, and in which the metal powder composition used in step (a) comprises one or more powdered metal components selected from the following group: aluminum, silicon, magnesium, alloys of aluminum and chromium, alloys of aluminum and molybdenum, alloys of aluminum and copper, alloys of aluminum and iron, alloys of aluminum and iron and chromium, alloys of aluminum and titanium, alloys of aluminum and molybdenum and titanium, alloys of silicon and chromium, alloys of silicon and molybdenum, alloys of silicon and copper, alloys of silicon and iron, alloys of silicon and iron and chromium, alloys of silicon and titanium, alloys erations of silicon and molybdenum and titanium, alloys of magnesium and chromium, alloys of magnesium and molybdenum, alloys of magnesium and copper, All
  • binder solution 2.5% by weight
  • two metal foam bodies made of nickel in flat form with a weight per unit area of 1000 g / m 2 and an average pore size of 580 ⁇ m (1.9 mm * 300 mm * 860 mm).
  • One of the metal foam bodies was then heated to 160 ° C. in a laboratory oven and then cooled back down to room temperature.
  • both metal foam bodies were subjected to a thermal treatment to form an alloy in a belt sintering furnace (manufacturer: Sarnes) under a nitrogen atmosphere.
  • the furnace was heated from room temperature to 725 ° C. in the course of 15 minutes, the temperature was held at 725 ° C. for 2 minutes, and then quenched at 200 ° C. by contacting with a nitrogen atmosphere.
  • the scatter of the weights per unit area of partial areas of both metal foam bodies was determined in order to obtain information about the uniformity of the alloy coverage of the two metal foam bodies.
  • 36 circular cut-outs with a diameter of 30 mm each were punched out from all partial areas of both metal foam bodies and weighed.
  • the PFR value (powder foam ratio) was then determined from:
  • Binder solution (2.5% by weight of polyethyleneimine in aqueous solution) was first sprayed onto two metal bodies made of commercially available nickel wire mesh in flat form (mesh size 0.163 mm). Immediately afterwards, an identical one was placed on both metal bodies
  • Amount of dry, powdery aluminum (particle size dgg 90 ⁇ m) mixed with 3% by weight of powdered Ceretan®-7080 wax (melting point in the range from 140 to 160 ° C). 2. Melting and resolidification of wax components
  • One of the metal bodies was then heated to 160 ° C. in a laboratory furnace and then cooled back down to room temperature.
  • the other metal body was air-dried at room temperature for 24 hours.
  • the light transmission through both metal bodies was examined with one-sided illumination with a bright lamp. It was found that the metal body, which had gone through the melting and resolidification process of the wax, showed a significantly more uniform light transmission than the body dried in air at room temperature. This indicates a more homogeneous distribution of the applied powder on the metal body which was actively dried at 160 ° C.
  • binder solution (2.5% by weight) were sprayed onto two metal foam bodies made of cobalt in flat form with a weight per unit area of 1000 g / m 2 and an average pore size of 580 ⁇ m (1.9 mm * 300 mm * 860 mm). Polyethyleneimine in aqueous solution).
  • One of the metal bodies was then heated to 160 ° C. in a laboratory furnace and then cooled back down to room temperature.
  • the other metal body was air-dried at room temperature for 24 hours.
  • the PFR value was then determined from:
  • One of the metal bodies was then heated to 160 ° C. in a laboratory furnace and then cooled back down to room temperature.
  • the other metal body was air-dried at room temperature for 24 hours.
  • both metal bodies were subjected to a thermal treatment for alloy formation in a belt sintering furnace (manufacturer: Sarnes) under a nitrogen atmosphere.
  • the furnace was heated from room temperature to 700 ° C. in the course of 15 minutes, the temperature was held at 700 ° C. for 2 minutes, and then quenched at 200 ° C. by contacting with a nitrogen atmosphere.
  • the scatter of the weights per unit area of partial areas of both metal bodies was determined in order to obtain information about the uniformity of the alloy coverage of the two metal bodies.
  • 36 circular cut-outs with a diameter of 30 mm each were punched out from all partial areas of both metal foam bodies and weighed.
  • the PFR value was then determined from:
  • the metal body was then cut into pieces with dimensions of 1.9 ⁇ 300 ⁇ 200 mm. One piece was heated to 160 ° C in a laboratory oven and then cooled back down to room temperature. The further metal body was dried in air at room temperature for 24 hours.
  • a metal body measuring 1.9 x 300 x 200 mm weighs approx. 85 g.
  • the mass is composed of 23 g powder, ⁇ 1 g wax and approx. 61 g Ni foam.
  • the light transmission through both metal bodies was examined with one-sided illumination with a bright lamp. It was found that the metal body, which had gone through the melting and resolidification process of the wax, showed a significantly more uniform light transmission than the body dried in air at room temperature. This indicates a less homogeneous distribution of the powder applied in the body which has been air-dried at room temperature. This result could be confirmed by SEM images, which made closed pores and thus local overloading of this body recognizable. 3.
  • SEM images which made closed pores and thus local overloading of this body recognizable. 3.
  • both metal bodies were weighed and then dropped onto a table top from a height of 10 cm. Finally, the metal bodies were weighed again.
  • compositions had been lost, while the metal body that had undergone the reflow resolidification process had a mass loss of the applied metal powder composition below 1%.
  • the figure shows flat cuts of wire mesh - on the right in the original, i.e. uncoated, form and on the left in coated form, i.e. after, as described in Example B, first an aluminum powder composition has been applied and then a melt-resolidification cycle of wax components has been run through .
  • the aluminum powder composition was not subsequently alloyed in by thermal treatment.
  • the figure shows the light transmission, with one-sided lighting with a bright lamp, through a flat blank of cobalt foam, as used in Example C, to which a metal powder composition is initially applied as described in Example C and then for 24 hours at room temperature was air dried. However, the metal powder composition was not subsequently alloyed in by thermal treatment. It can be seen that the distribution of the light transmission is less uniform than in Figure 3. Opaque areas indicate closed pores and thus a local overload with metal powder composition and thus indicate an inhomogeneous distribution of the applied metal powder composition.
  • the figure shows the light transmission, with one-sided illumination with a bright lamp, through a flat blank of cobalt foam, to which a metal powder composition was first applied, as described in Example C, and then a melt-resolidification cycle of wax components was run through.
  • the metal powder composition was not subsequently alloyed in by thermal treatment. It can be seen that the distribution of the light transmission is significantly more even than in Figure 2. This indicates a more homogeneous distribution of the applied metal powder composition.
  • the figure shows scanning electron microscope (SEM) images of samples of nickel / cobalt foam, in coated form, i.e. after a metal powder composition was applied, as described in Example D, which, however, was not subsequently alloyed by thermal treatment.
  • the sample shown on the left was dried in air for 24 hours at room temperature after the application of the metal powder composition and then examined by means of SEM.
  • the sample shown on the right went through a melting-resolidification cycle of wax components after the application of the metal powder composition and was then examined by means of SEM.
  • the closed pores and the partly uncoated metal bars are clearly visible.
  • no closed pores and a uniform coating of the metal bars can be seen.
  • the figure shows on the left-hand side a flat blank made of nickel foam, to which an aluminum powder composition was first applied, as described in Example E, and then dried in air at room temperature for 24 hours. The metal powder composition was then not alloyed in by thermal treatment. The figure shows the powder residue on the right-hand side that remains after the powder-coated foam body has been deposited and picked up again.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung beschichteter Metallkörpern durch Aufbringen einer Metallpulver-Zusammensetzung auf einen Metallkörper, sodass ein beschichteter Metallkörper erhalten wird, dessen Beschichtung eine oder mehrere Wachskomponenten enthält, Erhitzen des beschichteten Metallkörpers bis zur Schmelztemperatur von mindestens einer der Wachskomponenten und anschließendes Abkühlen auf Raumtemperatur, sodass ein beschichteter Metallkörper erhalten wird, und thermische Behandlung des beschichteten Metallkörpers, um Legierungsbildung zwischen metallischen Anteilen von Metallkörper und Metallpulver-Zusammensetzung zu erreichen, wobei der Metallkörper Nickel, Cobalt, Kupfer und/oder Eisen und die Metallpulver-Zusammensetzung eine pulverförmige Metallkomponente umfasst, die Aluminium, Silicium oder Magnesium in elementarer oder legierter Form enthält. Das Verfahren macht durch Schmelzen und Abkühlen des Wachses, Metallkörper mit einer gleichmäßigeren Legierungsbedeckung zugänglich. Die Erfindung betrifft ferner Verfahren, bei denen anschließend der Metallkörper mit einer basischen Lösung behandelt wird. Außerdem umfasst die vorliegende Erfindung die nach den erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Metallkörper, welche Anwendung finden z.B. als Trag- und Strukturkomponenten sowie in der Katalysatortechnologie.

Description

Metallkörper und Verfahren zu ihrer Herstellung
Hintergrund Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung beschichteter Metallkörper, bei denen Metallpulver-Zusammensetzungen auf Metallkörper aufgebracht werden, so dass beschichtete Metallkörper erhalten werden, deren Beschichtung eine oder mehrere Wachskomponenten enthält. Diese Metallkörper werden anschließend bis zur Schmelztemperatur des Wachses erhitzt, wieder auf Raumtemperatur abgekühlt und danach thermisch behandelt, so dass Legierungsbildung zwischen Teilen des Metallkörpers und dem aufgebrachten Metallpulver erreicht wird. Das Aufschmelzen und darauffolgende Abkühlen des Wachses ermöglicht den Zugang zu Metallkörpern mit einer einheitlicheren Legierungsbedeckung. Entsprechende Verfahren finden unter anderem Anwendung in der Sintertechnologie. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner Verfahren, bei denen diese thermisch behandelten Metallkörper anschließend mit einer basischen Lösung behandelt werden. Entsprechende Verfahren finden unter anderem Anwendung bei der Herstellung von Katalysatoren. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die mit den vorliegend offenbarten Verfahren erhältlichen Metallkörper, die Anwendung finden z.B. als Trag- und Strukturkomponenten sowie in der Katalysatortechnologie. Stand der Technik
Verfahren zur Herstellung von legierungsbeschichteten Metallkörpern sind aus dem Stand der Technik bekannt, z.B. aus der WO2019057533A1 . Dort werden Metallpulver auf Metallkörper aufgetragen, die anschließend thermisch behandelt werden, so dass Legierungen im Kontaktbereich von Metallkörper und Metallpulver ausgebildet werden.
Ein Problem bei diesen Verfahren ist das Auftreten einer uneinheitlichen Legierungsbedeckung der Metallkörper d.h., dass einige Teile der Oberfläche der Metallkörper eine hohe und andere eine niedrige Legierungsbedeckung aufweisen. Dies wiederum kann, je nach anvisiertem Verwendungszweck, verschiedene Nachteile mit sich bringen. Die Ursache für die uneinheitliche Legierungsbedeckung ist bisher nicht klar.
Im Hinblick auf die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten legierungsbeschichteter Metallkörper besteht Bedarf an Verfahren zu ihrer Herstellung, bei denen eine einheitlichere Legierungsbedeckung der Metallkörper erreicht wird.
Die vorliegende Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt entsprechende Verfahren zur Verfügung, bei denen eine einheitlichere Legierungsbedeckung der Metallkörper erreicht wird. Erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von beschichteten Metallkörpern umfassen die folgenden Schritte: (a) Aufbringen einer Metallpulver-Zusammensetzung auf einen Metallkörper, so dass ein beschichteter Metallkörper 1 erhalten wird, dessen Beschichtung eine oder mehrere Wachskomponenten enthält,
(b) Erhitzen des beschichteten Metallkörpers 1 bis zur Schmelztemperatur von mindestens einer der Wachskomponenten und anschließendes Abkühlen auf Raumtemperatur, so dass ein beschichteter Metallkörper 2 erhalten wird,
(c) thermische Behandlung des beschichteten Metallkörpers 2, um Legierungsbildung zu erreichen zwischen metallischen Anteilen von Metallkörper und Metallpulver- Zusammensetzung, so dass Metallkörper 3 erhalten wird, wobei der in Schritt (a) verwendete Metallkörper eine Metallkomponente umfasst, ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Nickel, Cobalt, Kupfer, Eisen, und wobei die in Schritt (a) verwendete Metallpulver-Zusammensetzung eine pulverförmige Metallkomponente umfasst, die Aluminium, Silicium oder Magnesium in elementarer oder legierter Form enthält.
Im Unterscheid zu den Verfahren des Stands der Technik wird bei den erfindungsgemäßen Verfahren vor der thermischen Behandlung zur Legierungsbildung ein Wachs zunächst aufgeschmolzen und anschließend wieder abgekühlt (vgl. Schritt (b)). Experimentelle Ergebnisse, die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung erhoben wurden, zeigen, dass es notwendig ist, tatsächlich das in Schritt (b) beschriebene Aufschmelzen und Abkühlen des Wachses vor der thermischen Behandlung zur Legierungsbildung auszuführen, um die beabsichtigte einheitlichere Legierungsbedeckung zu erreichen. Es reicht nicht aus dem Metallpulver lediglich Wachs beizumischen und im Anschluss an den Auftrag des Metallpulvers (Schritt (a)) die thermische Behandlung zur Legierungsbildung (Schritt (c)) durchzuführen.
In Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens 1 wird eine Metallpulver-Zusammensetzung auf einen Metallkörper aufgebracht, so dass ein beschichteter Metallkörper 1 erhalten wird, dessen Beschichtung eine oder mehrere Wachskomponenten enthält.
Das Aufbringen der Metallpulver-Zusammensetzung in Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in vielfältiger Weise erfolgen, z. B. indem man den Metallkörper mit der Metallpulver-Zusammensetzung durch Rollen oder Tauchen in Kontakt bringt oder die Metallpulver-Zusammensetzung durch Sprühen, Bestreuen oder Gießen aufträgt. Dazu kann die Metallpulver-Zusammensetzung als Suspension oder in Form eines Pulvers vorliegen.
Dabei geht bevorzugt dem eigentlichen Aufbringen der Metallpulver-Zusammensetzung auf den Metallkörper in Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens ein vorheriges Imprägnieren des Metallkörpers mit einem Binder voraus. Das Imprägnieren kann beispielweise durch Aufsprühen des Binders oder Eintauchen des Metallkörpers in den Binder erfolgen, ist aber nicht auf diese Möglichkeiten beschränkt. Auf den so vorbereiteten Metallkörper kann anschließend die Metallpulver-Zusammensetzung aufgebracht werden. Alternativ dazu können Binder und Metallpulver-Zusammensetzung in einem Schritt aufgebracht werden. Hierfür wird die Metallpulver-Zusammensetzung vordem Aufbringen entweder in flüssigem Binder selbst suspendiert, oder Metallpulver-Zusammensetzung und Binder werden in einer Hilfsflüssigkeit F suspendiert Der Binder ist eine Zusammensetzung, die sich durch thermische Behandlung im
Temperaturbereich von 100 bis 400 °C vollständig in gasförmige Produkte überführen lässt, umfassend eine organische Verbindung, die ein Anhaften der Metallpulver-Zusammensetzung auf dem Metallkörper begünstigt. Bevorzugt ist die organische Verbindung dabei ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Polyethylenemine (PEI), Polyvinylpyrrolidon (PVP), Ethylenglycol, Gemische dieser Verbindungen. Besonders bevorzugt ist PEI. Das Molekulargewicht des Polyvinylpyrrolidons liegt vorzugsweise in einem Bereich von 10 000 bis 1 300000 g/mol. Das Molekulargewicht des Polyethylenemines liegt vorzugsweise in einem Bereich von 10 000 bis 1 300 000 g/mol. Das Molekulargewicht des Polyethylenemines (PEI) liegt besonders bevorzugt in einem Bereich von 700.000 bis 800.000 g/mol.
Hilfsflüssigkeit F muss geeignet sein, um Metallpulver-Zusammensetzung und Binder zu suspendieren und sich durch thermische Behandlung im Temperaturbereich von 100 bis 400 °C vollständig in gasförmige Produkte überführen lassen. Bevorzugt wird Hilfsflüssigkeit F ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Wasser, Ethylenglycol, PVP und Gemische dieser Verbindungen. Typischerweise wird, wenn Hilfsflüssigkeit verwendet wird, der Binder mit einer Konzentration im Bereich von 1 bis 10 Gew% in Wasser suspendiert, anschließend wird in dieser Suspension die Metallpulver Zusammensetzung suspendiert.
Um zu erreichen, dass am Ende von Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens ein beschichteter Metallkörper 1 erhalten wird, dessen Beschichtung eine oder mehrere Wachskomponenten enthält, müssen eine oder mehrere Wachskomponenten der Beschichtung hinzugefügt werden. Dazu können folgende Vorgehensweisen einzeln oder in Kombination gewählt werden:
(i) eine oder mehrere Wachskomponenten werden der Metallpulver- Zusammensetzung zugesetzt,
(ii) eine oder mehrere Wachskomponenten werden dem Binder zugesetzt,
(iii) eine oder mehrere Wachskomponenten werden der Hilfsflüssigkeit F zugesetzt,
(iv) eine oder mehrere Wachskomponenten werden auf den unbeschichteten
Metallkörper aufgebracht,
(v) eine oder mehrere Wachskomponenten werden auf den mit Binder beschichteten Metallkörper aufgebracht, (vi) eine oder mehrere Wachskomponenten werden auf den mit der Metallpulver- Zusammensetzung beschichteten Metallkörper 1 aufgebracht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden eine oder mehrere Wachskomponenten der Metallpulver-Zusammensetzung zugesetzt (Vorgehensweise (i)).
Wachse sind Stoffe, die durch ihre mechanisch-physikalischen Eigenschaften definiert sind. Ihre chemische Zusammensetzung und Herkunft kann sehr unterschiedlich sein. Wachse unterscheiden sich von ähnlichen synthetischen oder natürlichen Produkten (z. B. Harzen, plastischen Massen, Metallseifen etc.) hauptsächlich darin, dass sie im allgemeinen etwa zwischen 50 und 90 °C, in Ausnahmefällen auch bis etwa 250 °C, in den schmelzflüssigen, niedrigviskosen Zustand übergehen und praktisch frei von aschebildenden Verbindungen sind. Nach ihrer Herkunft unterteilt man die Wachse in drei Gruppen ein, nämlich (i) natürliche Wachse, hierunter pflanzliche Wachse (z. B. Candelillawachs, Carnaubawachs, Japanwachs, Espartograswachs, Korkwachs, Guarumawachs, Reiskeimölwachs, Zuckerrohrwachs, Ouricurywachs, Montanwachs etc.), tierische Wachse (z. B. Bienenwachs, Schellackwachs, Walrat, Lanolin bzw. Wollwachs, Bürzelfett etc.) und Mineralwachse (z. B. Ceresin, Ozokerit bzw. Erdwachs etc.); (ii) chemisch modifizierte Wachse, hierunter Hartwachse (z. B. Montanesterwachse, Sasolwachse, hydrierte Jojobawachse etc.); sowie (iii) synthetische Wachse, hierunter Polyalkylenwachse, Polyalkylenglykolwachse (z. B. Polyethylenglykolwachse) etc.. Hauptbestandteil natürlicher rezenter ("nachwachsender") Wachse sind Ester langkettiger Fettsäuren (Wachssäuren) mit langkettigen Fettalkoholen, Triterpen oder Steroidalkoholen; diese Wachsester enthalten auch freie Carboxyl und/oder Hydroxylgruppen. Natürliche fossile Wachse, z.B. aus Braunkohle oder Erdöl, bestehen - ebenso wie Wachse aus der Fischer-Tropsch-Synthese oder Polyalkylenwachse (z. B. Polyethylenwachse) - hauptsächlich aus geradkettigen Kohlenwasserstoffen; erstere können aber je nach Provenienz auch verzweigte oder cycloaliphatische Kohlenwasserstoffe enthalten. Häufig werden diese "Kohlenwasserstoff - Wachse durch nachträgliche Oxidation oder im Fall der Polyolefinwachse auch durch Comonomere mit Carboxylgruppen funktionalisiert. Zu weitergehenden Einzelheiten zum Begriff der Wachse wird verwiesen auf Römpp Chemielexikon, 10. Auflage, Band 6, 1999, Georg Thieme Verlag Stuttgart/New York, Seite 4906, Stichwort: "Wachse" sowie die dort referierte Literatur, insbesondere Cosm. Toil. 101 , 49 (1986) sowie DGF-Einheitsmethoden, Abteilung M- Wachse und Wachsprodukte, 7. Ergänzungslieferung 05/1999, Stuttgart: Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, wobei die vorgenannten Literaturstellen hiermit durch Bezugnahme vollinhaltlich in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen sind.
Ein Stoff oder Stoffgemisch wird als Wachskomponente im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet, wenn er
(i) bei 20 °C knetbar fest ist, und
(ii) im Temperaturbereich über 40 °C ohne Zersetzung schmilzt, und
(iii) sich durch Thermolyse im Temperaturbereich von 100 bis 400 °C vollständig in gasförmige Produkte überführen lässt Bevorzugt sind Wachskomponenten, die hydrophob sind, d.h. dass Oberflächen aus diesen Substanzen oder Substanzgemischen oder Oberflächen, die mit diesen Substanzen oder Substanzgemischen beschichtet sind, einen Kontaktwinkel mit Wasser ausbilden, der grösser ist als 90 Grad.
Vorzugsweise weisen alle Wachskomponenten einen Erstarrungstemperatur im Bereich von 90 bis 250°C auf.
Besonders bevorzugt sind Wachskomponenten mit Erstarrungstemperaturen zwischen 45 und 160 °C, insbesondere solche mit Erstarrungstemperaturen zwischen 100 und 160 °C.
Besonders bevorzugt ist die Wachskomponente ein Stearamid-Wachs (Ethylene bis(stearamide), EBS).
Die Gesamtmenge aller Wachskomponenten wird derart gewählt, dass ihr Anteil an der Gesamtmasse der Beschichtung von Metallkörper 2 (erhalten nach Schritt(b) des erfindungsgemäßen Verfahrens) zwischen 0,5 und 5 Gew% beträgt. Vorzugsweise beträgt der Anteil der Gesamtmenge aller Wachskomponenten an der Gesamtmasse der Beschichtung von Metallkörper 2 zwischen 1 Gew% und 4 Gew%. Die Gesamtmasse der Beschichtung von Metallkörper 2 entspricht der Massendifferenz zwischen Metallkörper 2 und dem unbeschichteten in Schritt (a) eingesetzten Metallkörper.
Erfindungsgemäß umfasst der in Schritt (a) verwendete Metallkörper eine Metallkomponente, ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Nickel, Cobalt, Kupfer, Eisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der in Schritt (a) verwendete Metallkörper aus einem der folgenden:
(i) metallisches Nickel,
(ii) metallisches Cobalt,
(iii) metallisches Kupfer,
(iv) Legierung aus Nickel und Cobalt,
(v) Legierung aus Nickel und Kupfer,
(vi) Anordnungen von zwei übereinanderliegenden Schichten von zwei einzelnen metallischen Komponenten, wobei in diesem Falle eine der metallischen Komponenten eine innen liegende Schicht des Metallkörpers bildet und die andere metallische Komponente die außen liegende Schicht des Metallkörpers, wobei die metallischen Komponenten ausgewählt werden aus der Liste der folgenden Kombinationen: innen Nickel und außen Cobalt, innen Eisen und außen Nickel.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform besteht der in Schritt (a) verwendete Metallkörper aus einem Metall, das ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe: Ni, Fe, Co, Cu. Die in Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Metallkörper können jede beliebige Form aufweisen, z.B. kubisch, quaderförmig, zylindrisch etc. Die Metallkörper können aber auch die Form von Schäumen, Netzen, Geweben, Gestricken oder Gewirken haben, welche ihrerseits zu Monolithen verformt sein können. Vorzugsweise liegen die in Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Metallkörper in Form von Schäumen, Netzen, Geweben, Gestricken oder Gewirken vor.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der in Schritt (a) verwendete Metallkörper ein Metallschaumkörper. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter Metallschaumkörper ein schaumförmiger Metallkörper verstanden, wie er z.B. offenbart wird in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Kapitel „Metallic Foams“, veröffentlicht online am 15.07.2012, DOI: 10.1002/14356007. c16_c01 pub2. Geeignet sind prinzipiell Metallschäume mit verschiedenen morphologischen Eigenschaften bezüglich Porengröße und -form, Schichtdicke, Flächendichte, geometrische Oberfläche, Porosität, etc. Bevorzugt weist ein Metallschaum aus Ni, Cu und/oder Co eine Dichte im Bereich von 400 bis 1500 g/m2, eine Porengröße von 400 bis 3000 pm, bevorzugt von 400 bis 800 gm und eine Dicke im Bereich von 0,5 bis 10 mm, bevorzugt von 1 ,0 bis 5,0 mm auf. Die Herstellung kann in an sich bekannter Weise erfolgen. Beispielsweise kann ein Schaum aus einem organischen Polymer mit wenigstens einem ersten Metall beschichtet werden und dann das Polymer entfernt werden, z. B. durch Thermolyse oder Lösen in einem geeigneten Lösungsmittel, wobei ein Metallschaum erhalten wird. Zum Beschichten mit wenigstens einem ersten Metall oder einem Vorläufer davon kann der Schaum aus dem organischen Polymer mit einer Lösung oder Suspension, die das erste Metall enthält, in Kontakt gebracht werden. Dies kann z. B. durch Sprühen oder Tauchen erfolgen. Möglich ist auch eine Abscheidung mittels Chemical vapordeposition (CVD). So kann z. B. ein Polyurethanschaum mit dem ersten Metall beschichtet und dann der Polyurethanschaum thermolysiert werden. Ein zur Herstellung von Formkörpern in Form eines Schaums geeigneter Polymerschaum hat vorzugsweise eine Porengröße im Bereich von 100 bis 5000 pm, besonders bevorzugt von 450 bis 4000 pm und insbesondere von 450 bis 3000 pm. Ein geeigneter Polymerschaum hat vorzugsweise eine Schichtdicke von 5 bis 60 mm, besonders bevorzugt von 10 bis 30 mm. Ein geeigneter Polymerschaum hat vorzugsweise ein Raumgewicht von 300 bis 1200 kg/m3. Die spezifische Oberfläche liegt vorzugsweise in einem Bereich von 100 bis 20000 m2/m3, besonders bevorzugt 1000 bis 6000 m2/m3. Die Porosität liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,50 bis 0,95.
Die in Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Metallpulver-Zusammensetzung kann neben einer oder mehr pulverförmigen Metallkomponenten auch eine oder mehr Wachskomponenten und/oder Zusätze, die zur Steigerung der Rieselfähigkeit oder Wasserbeständigkeit beitragen, enthalten. Derartige Zusätze müssen sich durch thermische Behandlung im Temperaturbereich von 100 bis 400 °C vollständig in gasförmige Produkte überführen lassen. Die in Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Metallpulver- Zusammensetzung umfasst eine oder mehr pulverförmige Metallkomponenten, ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Aluminium, Aluminiumlegierungen, Silicium, Siliciumlegierungen, Magnesium, Magnesiumlegierungen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die in Schritt (a) verwendete Metallpulver-Zusammensetzung eine oder mehr pulverförmige Metallkomponenten, ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Aluminium, Silicium, Magnesium, Legierungen von Aluminium und Chrom, Legierungen von Aluminium und Molybdän, Legierungen von Aluminium und Kupfer, Legierungen von Aluminium und Eisen, Legierungen von Aluminium und Eisen und Chrom, Legierungen von Aluminium und Titan, Legierungen von Aluminium und Molybdän und Titan, Legierungen von Silicium und Chrom, Legierungen von Silicium und Molybdän, Legierungen von Silicium und Kupfer, Legierungen von Silicium und Eisen, Legierungen von Silicium und Eisen und Chrom, Legierungen von Silicium und Titan, Legierungen von Silicium und Molybdän und Titan, Legierungen von Magnesium und Chrom, Legierungen von Magnesium und Molybdän, Legierungen von Magnesium und Kupfer, Legierungen von Magnesium und Eisen, Legierungen von Magnesium und Eisen und Chrom, Legierungen von Magnesium und Titan, Legierungen von Magnesium und Molybdän und Titan. In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die in Schritt (a) verwendete Metallpulver- Zusammensetzung, pulverförmiges Aluminium. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht die in Schritt (a) verwendete Metallpulver- Zusammensetzung aus pulverförmigem Aluminium und einer oder mehreren pulverförmigen Wachskomponenten.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die in Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Metallpulver-Zusammensetzung eine oder mehrere Wachskomponenten. Der Zusatz von Wachskomponenten erhöht die Rieselfähigkeit der Metallpulver-Zusammensetzung und damit deren technische Förderbarkeit. Außerdem schützen Wachskomponenten die Metallpulver- Zusammensetzung vor Wasseraufnahme und verringern ferner das Ausmaß chemischer Reaktionen zwischen den pulverförmigen Metallen und Wasser und unterdrücken damit gegebenenfalls auch die Bildung von Wasserstoff.
Die Metallpulver-Zusammensetzung weist bevorzugt einen Metallkomponentengehalt im Bereich von 80 bis 99,8 Gew% auf. Bevorzugt sind dabei Zusammensetzungen bei denen die Metallkomponentenpartikel eine Teilchengröße von nicht kleiner 5 pm und nicht größer 200 gm aufweisen. Besonders bevorzugt sind Zusammensetzungen bei denen 95 % der Metallkomponentenpartikel eine Teilchengröße von nicht kleiner 5 pm und nicht größer 75 pm aufweisen. Es kann sein, dass die Zusammensetzung neben der Metallkomponente in elementarer Form, noch Metallkomponente in oxidierter Form enthält. Dieser oxidierte Anteil liegt üblicherweise in Form von oxidischen Verbindungen wie z.B. Oxiden, Hydroxiden und/oder Carbonaten vor. Typischerweise liegt der Masseanteil des oxidierten Anteils im Bereich von 0,05 bis 10 Gew.-% der Gesamtmasse der Metallpulver-Zusammensetzung. In Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der beschichtete Metallkörper 1 bis zur Schmelztemperatur von mindestens einer der Wachskomponenten erhitzt und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt, so dass ein beschichteter Metallkörper 2 erhalten wird.
Typischerweise wird der beschichtete Metallkörper 1 in diesem Schritt auf eine Temperatur im Bereich von 90 bis 250 °C erhitzt. Als Wärmequelle zum Erhitzen des beschichteten Metallkörpers 1 in Schritt (b) wird üblicherweise ein Ofen verwendet grundsätzlich sind aber auch andere Wärmequellen, wie z.B. Infrarotlampen einsetzbar. Das Abkühlen auf Raumtemperatur muss nicht mit kontrollierter Abkühlrate erfolgen und wird typischerweise erreicht, indem die zum Erhitzen verwendete Wärmequelle abgeschaltet, und ein Equilibrieren des Metallkörpers auf Raumtemperatur ermöglicht wird. Der Metallkörper kann während der Durchführung von Schritt (b) umgeben sein von einer Gasatmosphäre aus Luft, Sauerstoff oder inertem Schutzgas, die bei Umgebungsdruck, Normaldruck oder leichtem Vakuum (1 bis 300 mbar) vorliegen kann. Bei der Durchführung von Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird lediglich das Aufschmelzen und Abkühlen von Wachskomponenten angestrebt, es ist hingegen nicht beabsichtigt in diesem Schritt organische Komponenten durch Thermolyse zu entfernen oder Legierungsbildung zwischen Metallkomponenten auszulösen. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird Raumtemperatur verstanden als Temperatur von 25 °C.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der beschichtete Metallkörper 1 bis zur Schmelztemperatur von genau einer der Wachskomponenten erhitzt und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt. In einer anderem Ausführungsform wird der beschichtete Metallkörper 1 erhitzt bis alle Wachskomponenten geschmolzen sind und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der beschichtete Metallkörper 1 erhitzt, bis mindestens die Hälfte der Gesamtmasse aller Wachskomponenten geschmolzen ist und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt.
In Schritt (c) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der beschichtete Metallkörper 2 thermisch behandelt, um Legierungsbildung zu erreichen zwischen metallischen Anteilen von Metallkörper und Metallpulver-Zusammensetzung, so dass Metallkörper 3 erhalten wird. Die thermische Behandlung umfasst das, üblicherweise stufenweise, Aufheizen des beschichteten Metallkörpers 2 und das anschließende Abkühlen auf Raumtemperatur. Geeignete Legierungsbedingungen für Schritt (c) ergeben sich aus den Phasendiagrammen der beteiligten Metalle und intermetallischen Phasen, z. B. dem Phasendiagramm von Ni und AI. So kann z. B. der Anteil an Al-reichen und auslaugbaren Komponenten, wie NiAb und N12AI3, gesteuert werden. Die thermische Behandlung findet unter Inertgas oder unter reduktiven Bedingungen statt. Unter reduktiven Bedingungen ist die Gegenwart eines Gasgemisches, das Wasserstoff und wenigstens ein unter den Reaktionsbedingungen inertes Gas enthält zu verstehen, geeignet ist z. B. ein Gasgemisch, das 50 Vol% N2 und 50 Vol% H2 enthält. Als inertes Gas wird vorzugsweise Stickstoff eingesetzt. Das Aufheizen kann z. B. in einem Bandofen erfolgen. Geeignete Aufheizraten liegen im Bereich von 10 bis 200 K/min, bevorzugt 20 bis 180 K/min. Es kann vorteilhaft sein die Temperatur während gewisser Zeitabschnitte der thermischen Behandlung konstant zu halten, so dass ein stufenweises Aufheizen und/oder Abkühlen erfolgt. Während der thermischen Behandlung wird typischerweise zunächst die Temperatur von Raumtemperatur auf etwa 300 bis 400 °C erhöht und bei dieser Temperatur für einen Zeitraum von etwa 2 bis 30 Minuten Feuchtigkeit, und organische Bestandteile aus der Beschichtung entfernt, anschließend wird die Temperatur auf etwa 650 bis 750 °C erhöht, bis Legierungsbildung zwischen metallischen Anteilen von Metallkörper und Metallpulver-Zusammensetzung erfolgt und anschließend durch Kontakt mit Schutzgasumgebung einer Temperatur von ca. 200 °C der Metallkörper abgeschreckt.
In einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ferner Verfahren mit dem folgenden Schritt (d): Behandlung des Metallkörpers 3 mit einer basischen Lösung. Die Behandlung des Metallkörpers 3 mit einer basischen Lösung kann dazu dienen Metallkomponenten der aufgebrachten Metallpulver-Zusammensetzung sowie Legierungen zwischen metallischen Anteilen von Metallkörper und Metallpulver-Zusammensetzung zumindest teilweise aufzulösen und auf diese Weise aus dem Metallkörper zu entfernen. Typischweise wird aus den Metallkörpern durch die Behandlung mit basischer Lösung 30 bis 70 Gew% der Gesamtmasse der Metallkomponenten der aufgebrachten Metallpulver-Zusammensetzung sowie der Legierungen zwischen metallischen Anteilen von Metallkörper und Metallpulver-Zusammensetzung entfernt. Als basische Lösungen werden typischerweise wässrige basische Lösungen von NaOH, KOH, LiOH oder Gemischen davon verwendet. Die Temperatur bei der basischen Behandlung wird üblicherweise im Bereich von 25 bis 120 °C gehalten. Die Dauer der Behandlung mit basischer Lösung liegt typischerweise im Bereich von 5 Minuten bis 8 Stunden. Bei geeigneter Wahl der metallischen Komponenten können Metallkörper, die als Ergebnis der Behandlung mit basischer Lösung erhalten werden, als Katalysatoren eingesetzt werden, wie z.B. offenbart in der WO2019057533A1 .
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Behandlung des Metallkörpers 3 mit einer basischen Lösung für eine Dauer im Bereich von 5 Minuten bis 8 Stunden, bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 120 °C ausgeführt, wobei die basische Lösung eine wässrige NaOH-Lösung mit einer NaOH-Konzentration zwischen 2 und 30 Gew% ist.
In einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ferner beschichtete Metallkörper erhältlich nach einem der erfindungsgemäßen Verfahren.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ferner Verfahren sowie die dadurch erhältlichen Metallkörper, bei denen der in Schritt (a) verwendete Metallkörper aus einem Metall besteht, das ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe: Ni, Fe, Co, Cu, und bei denen in Schritt (d) Metallkörper 3 mit einer basischen Lösung behandelt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ferner Verfahren sowie die dadurch erhältlichen Metallkörper, bei denen die in Schritt (a) verwendete Metallpulver-Zusammensetzung eine oder mehr pulverförmige Metallkomponenten umfasst, ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Aluminium, Silicium, Magnesium, Legierungen von Aluminium und Chrom, Legierungen von Aluminium und Molybdän, Legierungen von Aluminium und Kupfer, Legierungen von Aluminium und Eisen, Legierungen von Aluminium und Eisen und Chrom, Legierungen von Aluminium und Titan, Legierungen von Aluminium und Molybdän und Titan, Legierungen von Silicium und Chrom, Legierungen von Silicium und Molybdän, Legierungen von Silicium und Kupfer, Legierungen von Silicium und Eisen, Legierungen von Silicium und Eisen und Chrom, Legierungen von Silicium und Titan, Legierungen von Silicium und Molybdän und Titan, Legierungen von Magnesium und Chrom, Legierungen von Magnesium und Molybdän, Legierungen von Magnesium und Kupfer,
Legierungen von Magnesium und Eisen, Legierungen von Magnesium und Eisen und Chrom, Legierungen von Magnesium und Titan, Legierungen von Magnesium und Molybdän und Titan, und bei denen in Schritt (d) Metallkörper 3 mit einer basischen Lösung behandelt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ferner Verfahren sowie die dadurch erhältlichen Metallkörper, bei denen der in Schritt (a) verwendete Metallkörper aus einem Metall besteht, das ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe: Ni, Fe, Co, Cu, und bei denen die in Schritt (a) verwendete Metallpulver-Zusammensetzung eine oder mehr pulverförmige Metallkomponenten umfasst, ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Aluminium, Silicium, Magnesium, Legierungen von Aluminium und Chrom, Legierungen von Aluminium und Molybdän, Legierungen von Aluminium und Kupfer, Legierungen von Aluminium und Eisen, Legierungen von Aluminium und Eisen und Chrom, Legierungen von Aluminium und Titan, Legierungen von Aluminium und Molybdän und Titan, Legierungen von Silicium und Chrom, Legierungen von Silicium und Molybdän, Legierungen von Silicium und Kupfer, Legierungen von Silicium und Eisen, Legierungen von Silicium und Eisen und Chrom, Legierungen von Silicium und Titan, Legierungen von Silicium und Molybdän und Titan, Legierungen von Magnesium und Chrom, Legierungen von Magnesium und Molybdän, Legierungen von Magnesium und Kupfer,
Legierungen von Magnesium und Eisen, Legierungen von Magnesium und Eisen und Chrom, Legierungen von Magnesium und Titan, Legierungen von Magnesium und Molybdän und Titan.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ferner Verfahren sowie die dadurch erhältlichen Metallkörper, bei denen der in Schritt (a) verwendete Metallkörper aus einem Metall besteht, das ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe: Ni, Fe, Co, Cu, und bei denen die in Schritt (a) verwendete Metallpulver-Zusammensetzung eine oder mehr pulverförmige Metallkomponenten umfasst, ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Aluminium, Silicium, Magnesium, Legierungen von Aluminium und Chrom, Legierungen von Aluminium und Molybdän, Legierungen von Aluminium und Kupfer, Legierungen von Aluminium und Eisen, Legierungen von Aluminium und Eisen und Chrom, Legierungen von Aluminium und Titan, Legierungen von Aluminium und Molybdän und Titan, Legierungen von Silicium und Chrom, Legierungen von Silicium und Molybdän, Legierungen von Silicium und Kupfer, Legierungen von Silicium und Eisen, Legierungen von Silicium und Eisen und Chrom, Legierungen von Silicium und Titan, Legierungen von Silicium und Molybdän und Titan, Legierungen von Magnesium und Chrom, Legierungen von Magnesium und Molybdän, Legierungen von Magnesium und Kupfer,
Legierungen von Magnesium und Eisen, Legierungen von Magnesium und Eisen und Chrom, Legierungen von Magnesium und Titan, Legierungen von Magnesium und Molybdän und Titan, und bei denen in Schritt (d) Metallkörper 3 mit einer basischen Lösung behandelt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ferner Verfahren sowie die dadurch erhältlichen Metallkörper, bei denen der in Schritt (a) verwendete Metallkörper aus einem Metall besteht, das ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe: Ni, Fe, Co, Cu, und bei denen die in Schritt (a) verwendete Metallpulver-Zusammensetzung eine oder mehr pulverförmige Metallkomponenten umfasst, ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Aluminium, Silicium, Magnesium, Legierungen von Aluminium und Chrom, Legierungen von Aluminium und Molybdän, Legierungen von Aluminium und Kupfer, Legierungen von Aluminium und Eisen, Legierungen von Aluminium und Eisen und Chrom, Legierungen von Aluminium und Titan, Legierungen von Aluminium und Molybdän und Titan, Legierungen von Silicium und Chrom, Legierungen von Silicium und Molybdän, Legierungen von Silicium und Kupfer, Legierungen von Silicium und Eisen, Legierungen von Silicium und Eisen und Chrom, Legierungen von Silicium und Titan, Legierungen von Silicium und Molybdän und Titan, Legierungen von Magnesium und Chrom, Legierungen von Magnesium und Molybdän, Legierungen von Magnesium und Kupfer,
Legierungen von Magnesium und Eisen, Legierungen von Magnesium und Eisen und Chrom, Legierungen von Magnesium und Titan, Legierungen von Magnesium und Molybdän und Titan, und bei denen eine oder mehrere Wachskomponenten der Metallpulver-Zusammensetzung zugesetzt werden.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ferner Verfahren sowie die dadurch erhältlichen Metallkörper, bei denen der in Schritt (a) verwendete Metallkörper aus einem Metall besteht, das ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe: Ni, Fe, Co, Cu, und bei denen die in Schritt (a) verwendete Metallpulver-Zusammensetzung eine oder mehr pulverförmige Metallkomponenten umfasst, ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Aluminium, Silicium, Magnesium, Legierungen von Aluminium und Chrom, Legierungen von Aluminium und Molybdän, Legierungen von Aluminium und Kupfer, Legierungen von Aluminium und Eisen, Legierungen von Aluminium und Eisen und Chrom, Legierungen von Aluminium und Titan, Legierungen von Aluminium und Molybdän und Titan, Legierungen von Silicium und Chrom, Legierungen von Silicium und Molybdän, Legierungen von Silicium und Kupfer, Legierungen von Silicium und Eisen, Legierungen von Silicium und Eisen und Chrom, Legierungen von Silicium und Titan, Legierungen von Silicium und Molybdän und Titan, Legierungen von Magnesium und Chrom, Legierungen von Magnesium und Molybdän, Legierungen von Magnesium und Kupfer, Legierungen von Magnesium und Eisen, Legierungen von Magnesium und Eisen und Chrom, Legierungen von Magnesium und Titan, Legierungen von Magnesium und Molybdän und Titan, und bei denen eine oder mehrere Wachskomponenten der Metallpulver-Zusammensetzung zugesetzt werden, und bei denen in Schritt (d) Metallkörper 3 mit einer basischen Lösung behandelt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ferner Verfahren sowie die dadurch erhältlichen Metallkörper, bei denen der in Schritt (a) verwendete Metallkörper aus einem Metall besteht, das ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe: Ni, Fe, Co, Cu, und bei denen die in Schritt (a) verwendete Metallpulver-Zusammensetzung eine oder mehr pulverförmige Metallkomponenten umfasst, ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Aluminium, Silicium, Magnesium, Legierungen von Aluminium und Chrom, Legierungen von Aluminium und Molybdän, Legierungen von Aluminium und Kupfer, Legierungen von Aluminium und Eisen, Legierungen von Aluminium und Eisen und Chrom, Legierungen von Aluminium und Titan, Legierungen von Aluminium und Molybdän und Titan, Legierungen von Silicium und Chrom, Legierungen von Silicium und Molybdän, Legierungen von Silicium und Kupfer, Legierungen von Silicium und Eisen, Legierungen von Silicium und Eisen und Chrom, Legierungen von Silicium und Titan, Legierungen von Silicium und Molybdän und Titan, Legierungen von Magnesium und Chrom, Legierungen von Magnesium und Molybdän, Legierungen von Magnesium und Kupfer,
Legierungen von Magnesium und Eisen, Legierungen von Magnesium und Eisen und Chrom, Legierungen von Magnesium und Titan, Legierungen von Magnesium und Molybdän und Titan, und bei denen eine oder mehrere Wachskomponenten der Metallpulver-Zusammensetzung zugesetzt werden, und bei denen der in Schritt (a) verwendete Metallkörper ein Metallschaumkörper ist.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ferner Verfahren sowie die dadurch erhältlichen Metallkörper, bei denen der in Schritt (a) verwendete Metallkörper aus einem Metall besteht, das ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe: Ni, Fe, Co, Cu, und bei denen die in Schritt (a) verwendete Metallpulver-Zusammensetzung eine oder mehr pulverförmige Metallkomponenten umfasst, ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Aluminium, Silicium, Magnesium, Legierungen von Aluminium und Chrom, Legierungen von Aluminium und Molybdän, Legierungen von Aluminium und Kupfer, Legierungen von Aluminium und Eisen, Legierungen von Aluminium und Eisen und Chrom, Legierungen von Aluminium und Titan, Legierungen von Aluminium und Molybdän und Titan, Legierungen von Silicium und Chrom, Legierungen von Silicium und Molybdän, Legierungen von Silicium und Kupfer, Legierungen von Silicium und Eisen, Legierungen von Silicium und Eisen und Chrom, Legierungen von Silicium und Titan, Legierungen von Silicium und Molybdän und Titan, Legierungen von Magnesium und Chrom, Legierungen von Magnesium und Molybdän, Legierungen von Magnesium und Kupfer, Legierungen von Magnesium und Eisen, Legierungen von Magnesium und Eisen und Chrom, Legierungen von Magnesium und Titan, Legierungen von Magnesium und Molybdän und Titan, und bei denen eine oder mehrere Wachskomponenten der Metallpulver-Zusammensetzung zugesetzt werden, und bei denen in Schritt (d) Metallkörper 3 mit einer basischen Lösung behandelt wird, und bei denen der in Schritt (a) verwendete Metallkörper ein Metallschaumkörper ist.
Beispiele
A - Beschichtung von Nickelschaum
1 . Aufbringen von Metallpulver-Zusammensetzungen auf Metallkörper
Auf zwei Metallschaumkörper aus Nickel in flächiger Form mit einem Flächengewicht von 1000 g/m2, und einer durchschnittlichen Porengröße von 580 pm (1 ,9 mm * 300 mm * 860 mm) wurden zunächst je 40 g Binderlösung aufgesprüht (2,5 Gew% Polyethylenimin in wässriger Lösung). Direkt im Anschluss daran wurde trockenes, pulverförmiges Aluminium (Partikelgröße dgg = 90 pm) im Gemisch mit 3 Gew% pulverförmigem Ceretan®-7080 Wachs (Schmelzpunkt im Bereich von 140 bis 160 °C) auf die Metallkörper aufgebracht (ca. 400 g/m2).
2. Aufschmelzen und Wiederverfestigen von Wachskomponenten
Anschließend wurde einer der Metallschaumkörper in einem Laborofen auf 160 °C erhitzt und danach wieder auf Raumtemperatur abgekühlt.
3. Thermische Behandlung zur Legierungsbildung
Im Anschluss daran wurden beide Metallschaumkörper in einem Bandsinterofen (Hersteller: Sarnes) unter Stickstoffatmosphäre einer thermischen Behandlung zur Legierungsbildung unterworfen. Dabei wurde der Ofen im Verlauf von 15 min von Raumtemperatur auf 725 °C aufgeheizt, die Temperatur wurde für 2 min bei 725 °C gehalten, danach wurde durch Kontaktieren mit Stickstoffatmosphäre bei 200 °C abgeschreckt.
4. Bestimmung der Einheitlichkeit der Legierungsbedeckung
Am Ende wurde die Streuung der Flächengewichte von Teilflächen beider Metallschaumkörper bestimmt, um Aufschluss zu erhalten, über die Einheitlichkeit der Legierungsbedeckung der beiden Metallschaumkörper. Dazu wurden jeweils 36 kreisförmige Ausschnitte mit einem Durchmesser von jeweils 30 mm aus allen Teilbereichen beider Metallschaumkörper ausgestanzt und gewogen.
Anschließend wurde der PFR Wert (powder foam ratio) bestimmt aus:
PFR = 100 * (m[gesintertj - m[Ausgangsschaumj) / m[gesintert], mit: m[gesintert] = Masse der nach der Legierungsbildung ausgestanzten kreisförmigen Ausschnitte mit einem Durchmesser von jeweils 30 mm m[Ausgangsschaum] = Masse eines kreisförmigen Ausschnitts des Metallschaumkörpers mit einem Durchmesser von 30 mm vor Beginn des Experiments
Am Ende wurden Mittelwerte und empirische Standardabweichungen der Reihen der jeweiligen PFR-Werte für beide Metallschaumkörper ermittelt.
Für den Metallschaumkörper, der den Aufschmelz- und Wiederverfestigungsschritt des Wachses durchlaufen hatte, ergab sich folgendes Ergebnis:
Mittelwert: 29,7 Standardabweichung: 0,5
Für den Metallschaumkörper, der den Aufschmelz- und Wiederverfestigungsschritt des Wachses nicht durchlaufen hatte, ergab sich folgendes Ergebnis:
Mittelwert: 27,7 Standardabweichung: 2,3
Dieses Ergebnis zeigt deutlich, dass durch Wachszusatz und einen Aufschmelz- Wiederabkühlschritt vor der thermischen Behandlung zur Legierungsbildung eine deutliche
Erhöhung der Einheitlichkeit der Legierungsbedeckung bei den erfindungsgemäßen Metallkörpern erreicht wird. B - Beschichtung von Drahtgewebe
1. Aufbringen von Metallpulver-Zusammensetzungen auf Metallkörper Auf zwei Metallkörper aus kommerziell erhältlichem Nickeldrahtgewebe in flächiger Form (Maschenweite 0,163 mm) wurde zunächst Binderlösung aufgesprüht (2,5 Gew% Polyethylenimin in wässriger Lösung). Direkt im Anschluss daran wurde auf beide Metallkörper eine identische
Menge trockenes, pulverförmiges Aluminium (Partikelgröße dgg = 90 pm) im Gemisch mit 3 Gew% pulverförmigem Ceretan®-7080 Wachs (Schmelzpunkt im Bereich von 140 bis 160 °C) aufgebracht. 2. Aufschmelzen und Wiederverfestigen von Wachskomponenten
Anschließend wurde einer der Metallkörper in einem Laborofen auf 160 °C erhitzt und danach wieder auf Raumtemperatur abgekühlt. Der andere Metallkörper wurde für 24 h bei Raumtemperatur an Luft getrocknet. Danach wurde der Lichtdurchfall durch beide Metallkörper bei einseitiger Beleuchtung mit einer hellen Lampe untersucht. Es zeigte sich, dass der Metallkörper, der den Aufschmelz- Wiederverfestigungsvorgang des Wachses durchlaufen hatte, einen deutlich gleichmäßigeren Lichtdurchfall aufwies, als der bei Raumtemperatur an Luft getrocknete Körper. Dies indiziert eine homogenere Verteilung des aufgebrachten Pulvers auf dem Metallkörper der aktiv bei 160 °C getrocknet wurde.
3. Thermische Behandlung zur Legierungsbildung Im Anschluss daran wurden beide Metallkörper in einem industriellen Bandsinterofen unter Stickstoffatmosphäre einer thermischen Behandlung zur Legierungsbildung unterzogen. Dabei wurde der Ofen im Verlauf von 15 min von Raumtemperatur auf 725 °C aufgeheizt, die Temperatur wurde für 2 min bei 725 °C gehalten, danach wurde durch Kontaktieren mit Stickstoffatmosphäre bei 200 °C abgeschreckt.
C - Beschichtung von Cobaltschaum
1. Aufbringen von Metallpulver-Zusammensetzungen auf Metallkörper
Auf zwei Metallschaumkörper aus Cobalt in flächiger Form mit einem Flächengewicht von 1000 g/m2, und einer durchschnittlichen Porengröße von 580 pm (1 ,9 mm * 300 mm * 860 mm) wurden zunächst je 40 g Binderlösung aufgesprüht (2,5 Gew% Polyethylenimin in wässriger Lösung). Direkt im Anschluss daran wurde trockenes Al/Cr-Pulver (enthaltend 5 Gew% Cr) (Partikelgröße d90 < 63 pm, d50 = 35 pm) im Gemisch mit 3 Gew% pulverförmigem Ceretan®-7080 Wachs (Schmelzpunkt im Bereich von 140 bis 160 °C) auf die Metallkörper aufgebracht (ca. 400 g/m2).
2. Aufschmelzen und Wiederverfestigen von Wachskomponenten
Anschließend wurde einer der Metallkörper in einem Laborofen auf 160 °C erhitzt und danach wieder auf Raumtemperatur abgekühlt. Der andere Metallkörper wurde für 24 h bei Raumtemperatur an Luft getrocknet.
Danach wurde der Lichtdurchfall durch beide Metallkörper bei einseitiger Beleuchtung mit einer hellen Lampe untersucht. Es zeigte sich, dass der Metallkörper, der den Aufschmelz- Wiederverfestigungsvorgang des Wachses durchlaufen hatte, einen deutlich gleichmäßigeren Lichtdurchfall aufwies, als der bei Raumtemperatur an Luft getrocknete Körper. Dies deutet auf eine weniger homogene Verteilung des aufgebrachten Pulvers in dem bei Raumtemperatur an Luft getrockneten Körper hin. Dieses Ergebnis konnte durch REM Aufnahmen bestätigt werden, die verschlossene Poren und damit eine lokale Überbeladung dieses Körpers erkennbar machten.
3. Thermische Behandlung zur Legierungsbildung Im Anschluss daran wurden beide Metallkörper in einem Bandsinterofen (Hersteller: Sarnes) unter Stickstoffatmosphäre einer thermischen Behandlung zur Legierungsbildung unterworfen. Dabei wurde der Ofen im Verlauf von 15 min von Raumtemperatur auf 700 °C aufgeheizt, die Temperatur wurde für 2 min bei 700 °C gehalten, danach wurde durch Kontaktieren mit Stickstoffatmosphäre bei 200 °C abgeschreckt.
4. Bestimmung der Einheitlichkeit der Legierungsbedeckung Am Ende wurde die Streuung der Flächengewichte von Teilflächen beider Metallkörper bestimmt, um Aufschluss zu erhalten, über die Einheitlichkeit der Legierungsbedeckung der beiden Metallkörper. Dazu wurden jeweils 36 kreisförmige Ausschnitte mit einem Durchmesser von jeweils 30 mm aus allen Teilbereichen beider Metallschaumkörper ausgestanzt und gewogen.
Anschließend wurde der PFR Wert bestimmt aus:
PFR = 100 * (m[gesintertj - m[Ausgangskörperj) / m[gesintert], mit: m[gesintert] = Masse der nach der Legierungsbildung ausgestanzten kreisförmigen Ausschnitte mit einem Durchmesser von jeweils 30 mm m[Ausgangskörper] = Masse eines kreisförmigen Ausschnitts des Metallkörpers mit einem Durchmesser von 30 mm vor Beginn des Experiments
Am Ende wurden Mittelwerte und empirische Standardabweichungen der Reihen der jeweiligen PFR-Werte für beide Metallkörper ermittelt.
Für den Metallkörper, der den Aufschmelz- und Wiederverfestigungsschritt des Wachses durchlaufen hatte, ergab sich folgendes Ergebnis:
Mittelwert: 28,2 Standardabweichung: 0,7
Für den Metallkörper, der den Aufschmelz- und Wiederverfestigungsschritt des Wachses nicht durchlaufen hatte, ergab sich folgendes Ergebnis:
Mittelwert: 26,8 Standardabweichung: 2,7
Dieses Ergebnis zeigt erneut, dass durch Wachszusatz und einen Aufschmelz-Wiederabkühlschritt vor der thermischen Behandlung zur Legierungsbildung eine deutliche Erhöhung der Einheitlichkeit der Legierungsbedeckung bei den erfindungsgemäßen Metallkörpern erreicht wird.
D - Beschichtung von Nickel/Cobaltschaum 1. Aufbringen von Metallpulver-Zusammensetzungen auf Metallkörper
Auf zwei Metallschaumkörper aus Nickel/Cobalt (42 Gew% Nickel, 58 Gew% Cobalt; schichtgalvanisch, templat-gestützt hergestellt) in flächiger Form mit einem Flächengewicht von 1000 g/m2, und einer durchschnittlichen Porengröße von 580 pm (1 ,9 mm * 300 mm * 860 mm) wurden zunächst je 40 g Binderlösung aufgesprüht (2,5 Gew% Polyethyleneimine in wässriger Lösung). Direkt im Anschluss daran wurde trockenes Al/Cr-Pulver (enthaltend 5 Gew% Cr) (Partikelgröße d90 < 63 pm, d50 = 35 pm) im Gemisch mit 3 Gew% pulverförmigem Ceretan®- 7080 Wachs (Schmelzpunkt im Bereich von 140 bis 160 °C) auf die Metallkörper aufgebracht (ca. 400 g/m2).
2. Aufschmelzen und Wiederverfestigen von Wachskomponenten
Anschließend wurde einer der Metallkörper in einem Laborofen auf 160 °C erhitzt und danach wieder auf Raumtemperatur abgekühlt. Der andere Metallkörper wurde für 24 h bei Raumtemperatur an Luft getrocknet.
Danach wurde der Lichtdurchfall durch beide Metallkörper bei einseitiger Beleuchtung mit einer hellen Lampe untersucht. Es zeigte sich, dass der Metallkörper, der den Aufschmelz- Wiederverfestigungsvorgang des Wachses durchlaufen hatte, einen deutlich gleichmäßigeren Lichtdurchfall aufwies, als der bei Raumtemperatur an Luft getrocknete Körper. Dies deutet auf eine weniger homogene Verteilung des aufgebrachten Pulvers in dem bei Raumtemperatur an Luft getrockneten Körper hin. Dieses Ergebnis konnte durch REM Aufnahmen bestätigt werden, die verschlossene Poren und damit eine lokale Überbeladung dieses Körpers erkennbar machten.
3. Thermische Behandlung zur Legierungsbildung
Im Anschluss daran wurden beide Metallkörper in einem Bandsinterofen (Hersteller: Sarnes) unter Stickstoffatmosphäre einer thermischen Behandlung zur Legierungsbildung unterworfen. Dabei wurde der Ofen im Verlauf von 15 min von Raumtemperatur auf 700 °C aufgeheizt, die Temperatur wurde für 2 min bei 700 °C gehalten, danach wurde durch Kontaktieren mit Stickstoffatmosphäre bei 200 °C abgeschreckt.
4. Bestimmung der Einheitlichkeit der Legierungsbedeckung
Am Ende wurde die Streuung der Flächengewichte von Teilflächen beider Metallkörper bestimmt, um Aufschluss zu erhalten, über die Einheitlichkeit der Legierungsbedeckung der beiden Metallkörper. Dazu wurden jeweils 36 kreisförmige Ausschnitte mit einem Durchmesser von jeweils 30 mm aus allen Teilbereichen beider Metallschaumkörper ausgestanzt und gewogen.
Anschließend wurde der PFR Wert bestimmt aus:
PFR = 100 * (m[gesintertj - m[Ausgangskörperj) / m[gesintert], mit: m[gesintert] = Masse der nach der Legierungsbildung ausgestanzten kreisförmigen Ausschnitte mit einem Durchmesser von jeweils 30 mm m[Ausgangskörper] = Masse eines kreisförmigen Ausschnitts des Metallkörpers mit einem Durchmesser von 30 mm vor Beginn des Experiments
Am Ende wurden Mittelwerte und empirische Standardabweichungen der Reihen der jeweiligen PFR-Werte für beide Metallkörper ermittelt.
Für den Metallkörper, der den Aufschmelz- und Wiederverfestigungsschritt des Wachses durchlaufen hatte, ergab sich folgendes Ergebnis:
Mittelwert: 28,4 Standardabweichung: 0,6
Für den Metallkörper, der den Aufschmelz- und Wiederverfestigungsschritt des Wachses nicht durchlaufen hatte, ergab sich folgendes Ergebnis:
Mittelwert: 27,1 Standardabweichung: 2,4
Dieses Ergebnis zeigt erneut, dass durch Wachszusatz und einen Aufschmelz-Wiederabkühlschritt vor der thermischen Behandlung zur Legierungsbildung eine deutliche Erhöhung der Einheitlichkeit der Legierungsbedeckung bei den erfindungsgemäßen Metallkörpern erreicht wird.
E - Falltest mit Nickelschaum
1. Aufbringen von Metallpulver-Zusammensetzungen auf Metallkörper
Auf einem Metallschaumkörper aus Nickel in flächiger Form mit einem Flächengewicht von 1000 g/m2, und einer durchschnittlichen Porengröße von 580 pm (1 ,9 mm * 300 mm * 860 mm) wurde zunächst je 40 g Binderlösung aufgesprüht (2,5 Gew% Polyethylenimin in wässriger Lösung). Direkt im Anschluss daran wurde trockenes, pulverförmiges Aluminium (Partikelgröße dgg = 90 pm) im Gemisch mit 3 Gew% pulverförmigem Ceretan®-7080 Wachs (Schmelzpunkt im Bereich von 140 bis 160 °C) auf die Metallkörper aufgebracht (ca. 400 g/m2).
2. Aufschmelzen und Wiederverfestigen von Wachskomponenten Anschließend wurde der Metallkörper in Stücke der Dimension 1 ,9 x 300 x 200 mm geschnitten. Ein Stück wurde in einem Laborofen auf 160 °C erhitzt und danach wieder auf Raumtemperatur abgekühlt. Der weiterer Metallkörper wurde für 24 h bei Raumtemperatur an Luft getrocknet.
Ein Metallkörper der Dimension 1 ,9 x 300 x 200 mm wiegt ca. 85 g. Die Masse setzt sich zusammen aus 23 g Pulver, < 1 g Wachs und ca. 61 g Ni-Schaum. Danach wurde der Lichtdurchfall durch beide Metallkörper bei einseitiger Beleuchtung mit einer hellen Lampe untersucht. Es zeigte sich, dass der Metallkörper, der den Aufschmelz- Wiederverfestigungsvorgang des Wachses durchlaufen hatte, einen deutlich gleichmäßigeren Lichtdurchfall aufwies, als der bei Raumtemperatur an Luft getrocknete Körper. Dies deutet auf eine weniger homogene Verteilung des aufgebrachten Pulvers in dem bei Raumtemperatur an Luft getrockneten Körper hin. Dieses Ergebnis konnte durch REM Aufnahmen bestätigt werden, die verschlossene Poren und damit eine lokale Überbeladung dieses Körpers erkennbar machten. 3. Falltest
Im Anschluss daran wurden beide Metallkörper gewogen und danach aus einer Höhe von 10 cm auf eine Tischplatte fallen gelassen. Zum Abschluss wurden die Metallkörper erneut gewogen.
Es wurde gefunden, dass durch den Fall auf die Tischplatte bei dem für 24 h bei Raumtemperatur an Luft getrockneten Metallkörper ca. 6 % der Masse der aufgebrachten Metallpulver-
Zusammensetzungen verloren gegangen war, während bei dem Metallkörper, der den Aufschmelz- Wiederverfestigungsvorgang durchlaufen hatte, der Masseverlust der aufgebrachten Metallpulver- Zusammensetzung unterhalb von 1 % lag.
Beschreibung der Abbildungen Abbildung 1
Die Abbildung zeigt flächige Zuschnitte aus Drahtgewebe - rechts in der ursprünglichen, d.h. unbeschichteten, Form und links in beschichteter Form, d.h. nachdem, wie in Beispiel B beschrieben, zunächst eine Aluminiumpulver-Zusammensetzung aufgebracht und anschließend ein Aufschmelz-Wiederverfestigungs-Zyklus von Wachskomponenten durchlaufen wurde. Die Aluminiumpulver-Zusammensetzung wurde allerdings anschließend nicht durch thermische Behandlung einlegiert.
Abbildung 2
Die Abbildung zeigt den Lichtdurchfall, bei einseitiger Beleuchtung mit einer hellen Lampe, durch einen flächigen Zuschnitt aus Cobaltschaum, wie dem in Beispiel C Verwendeten, auf den zunächst, wie in Beispiel C beschrieben, eine Metallpulver-Zusammensetzung aufgebracht und anschließend für 24 Stunden bei Raumtemperatur an Luft getrocknet wurde. Die Metallpulver- Zusammensetzung wurde allerdings anschließend nicht durch thermische Behandlung einlegiert. Es ist erkennbar, dass die Verteilung des Lichtdurchfalls weniger gleichmäßig ist, als in Abbildung 3. Lichtundurchlässige Bereiche zeigen verschlossene Poren und damit eine lokale Überbeladung mit Metallpulver-Zusammensetzung an und deuten damit auf eine inhomogene Verteilung der aufgebrachten Metallpulver-Zusammensetzung hin. Abbildung 3
Die Abbildung zeigt den Lichtdurchfall, bei einseitiger Beleuchtung mit einer hellen Lampe, durch einen flächigen Zuschnitt aus Cobaltschaum, auf den zunächst, wie in Beispiel C beschrieben, eine Metallpulver-Zusammensetzung aufgebracht und anschließend ein Aufschmelz- Wiederverfestigungs-Zyklus von Wachskomponenten durchlaufen wurde. Die Metallpulver- Zusammensetzung wurde allerdings anschließend nicht durch thermische Behandlung einlegiert. Es ist erkennbar, dass die Verteilung des Lichtdurchfalls deutlich gleichmäßiger ist, als in Abbildung 2. Dies deutet auf eine homogenere Verteilung der aufgebrachten Metallpulver- Zusammensetzung hin.
Abbildung 4
Die Abbildung zeigt rasterelektronenmikroskopische (REM) Aufnahmen von Proben von Nickel/Cobaltschaum, in beschichteter Form, d.h. nachdem, wie in Beispiel D beschrieben, eine Metallpulver-Zusammensetzung aufgebracht wurde, die allerdings anschließend nicht durch thermische Behandlung einlegiert wurde. Die links dargestellte Probe wurde nach dem Aufbringen der Metallpulver-Zusammensetzung für 24 Stunden bei Raumtemperatur an Luft getrocknet und anschließend mittels REM untersucht. Die rechts dargestellte Probe durchlief nach dem Aufbringen der Metallpulver-Zusammensetzung einen Aufschmelz-Wiederverfestigungs-Zyklus von Wachskomponenten und wurde anschließend mittels REM untersucht. Bei der links dargestellten Probe sind klar die verschlossenen Poren und die zum Teil unbeschichteten Metallstege erkennbar. Bei der rechts dargestellten Probe sind keine verschlossenen Poren und eine gleichmäßige Beschichtung der Metallstege erkennbar.
Abbildung 5
Die Abbildung zeigt auf der linken Seite einen flächigen Zuschnitt aus Nickelschaum, auf den zunächst, wie in Beispiel E beschrieben, eine Aluminiumpulver-Zusammensetzung aufgebracht und anschließend für 24 Stunden bei Raumtemperatur an Luft getrocknet wurde. Die Metallpulver- Zusammensetzung wurde anschließend nicht durch thermische Behandlung einlegiert. Die Abbildung zeigt auf der rechten Seite den Pulverrückstand, der nach Ablage und Wiederaufnahme des pulverbeschichteten Schaumkörpers zurückbleibt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von beschichteten Metallkörpern umfassend die folgenden Schritte:
(a) Aufbringen einer Metallpulver-Zusammensetzung auf einen Metallkörper, so dass ein beschichteter Metallkörper 1 erhalten wird, dessen Beschichtung eine oder mehrere Wachskomponenten enthält, (b) Erhitzen des beschichteten Metallkörpers 1 bis zur Schmelztemperatur von mindestens einer der Wachskomponenten und anschließendes Abkühlen auf Raumtemperatur, so dass ein beschichteter Metallkörper 2 erhalten wird,
(c) thermische Behandlung des beschichteten Metallkörpers 2, um Legierungsbildung zu erreichen zwischen metallischen Anteilen von Metallkörper und Metallpulver-
Zusammensetzung, so dass Metallkörper 3 erhalten wird, wobei der in Schritt (a) verwendete Metallkörper eine Metallkomponente umfasst, ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Nickel, Cobalt, Kupfer, Eisen, und wobei die in Schritt (a) verwendete Metallpulver-Zusammensetzung eine pulverförmige
Metallkomponente umfasst, die Aluminium, Silicium oder Magnesium in elementarer oder legierter Form enthält.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei der in Schritt (a) verwendete Metallkörper ein Metallschaumkörper ist.
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der in Schritt (a) verwendete Metallkörper aus einem der folgenden besteht: - metallisches Nickel, metallisches Cobalt, metallisches Kupfer,
Legierung aus Nickel und Cobalt,
Legierung aus Nickel und Kupfer, - Anordnungen von zwei übereinanderliegenden Schichten von zwei einzelnen metallischen Komponenten, wobei in diesem Falle eine der metallischen Komponenten eine innen liegende Schicht des Metallkörpers bildet und die andere metallische Komponente die außen liegende Schicht des Metallkörpers, wobei die metallischen Komponenten ausgewählt werden aus der Liste der folgenden Kombinationen: innen Nickel und außen Cobalt, innen
Eisen und außen Nickel.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der in Schritt (a) verwendete Metallkörper aus einem Metall besteht, das ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe: Ni, Fe, Co, Cu.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die in Schritt (a) des Verfahrens verwendete Metallpulver-Zusammensetzung eine oder mehr pulverförmige Metallkomponenten umfasst, die ausgewählt sind aus der folgenden Gruppe: Aluminium, Silicium, Magnesium, Legierungen von Aluminium und Chrom, Legierungen von Aluminium und Molybdän, Legierungen von Aluminium und Kupfer, Legierungen von Aluminium und Eisen, Legierungen von Aluminium und Eisen und Chrom, Legierungen von Aluminium und Titan, Legierungen von Aluminium und Molybdän und Titan, Legierungen von Silicium und Chrom, Legierungen von Silicium und Molybdän, Legierungen von Silicium und Kupfer, Legierungen von Silicium und Eisen, Legierungen von Silicium und Eisen und Chrom, Legierungen von Silicium und Titan, Legierungen von Silicium und Molybdän und Titan, Legierungen von Magnesium und Chrom, Legierungen von Magnesium und Molybdän, Legierungen von Magnesium und Kupfer, Legierungen von Magnesium und Eisen, Legierungen von Magnesium und Eisen und Chrom, Legierungen von Magnesium und Titan, Legierungen von Magnesium und Molybdän und Titan.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die in Schritt (a) verwendete Metallpulver-Zusammensetzung, aus pulverförmigem Aluminium und einer oder mehreren pulverförmigen Wachskomponenten besteht.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei mindestens eine der
Wachskomponenten in der Beschichtung des in Schritt (a) erhaltenen, beschichteten Metallkörpers 1 eine Erstarrungstemperatur aufweist, die im Bereich von 45 bis 160 °C liegt.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der in Schritt (a) verwendeten Metallpulver-Zusammensetzung eine oder mehrere Wachskomponenten zugesetzt werden.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner umfassend den folgenden Schritt:
(d) Behandlung des Metallkörpers 3 mit einer basischen Lösung.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Behandlung des Metallkörpers 3 mit einer basischen Lösung für eine Dauer im Bereich von 5 Minuten bis 8 Stunden, bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 120 °C ausgeführt wird, und wobei die basische Lösung eine wässrige NaOH-Lösung mit einer NaOH-Konzentration zwischen 2 und 30 Gew% ist.
11 . Beschichteter Metallkörper erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
12. Beschichteter Metallkörper erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 10.
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