Herstellen von aufschäumbaren Metallkörpern und Metallschäumen

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von aufschäumbaren Metallkörpern, wobei aus einem Pulvergemisch, welches zumindest ein Metallpulver und zumindest ein gasabspaltendes Treibmittelpulver, welches bei Aufheizen auf eine Temperatur gleich oder oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels Gas abspaltet, umfaßt, ein kompakter Körper hergestellt wird.

[0002] Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Herstellen von Metallschäumen, umfassend

• Mittel zur Zufuhr eines Pulvergemisches, welches zumindest ein Metallpulver und zumindest ein gasabspaltendes Treibmittelpulver beinhaltet,
• Mittel zur Herstellung eines kompakten Körpers aus dem Pulvergemisch und
• Mittel zum Aufheizen des kompakten Körpers auf eine Temperatur gleich oder oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels unter Abspaltung von Gas.

[0003] Die Erfindung betrifft außerdem die aus den aufschäumbaren Metallkörpern gewonnene Metallschäume, auch als Bestandteil von Formteilen und Verbundkörpern.

[0004] Die industrielle Fertigung von Metallschäumen oder porösen Metallkörpern ist seit langem bekannt. So ist beispielsweise in der Patentschrift US-3,087,807 A ein Herstellungsverfahren für Metallschäume beschrieben. Ein Metallpulver wird mit einem Treibmittel gemischt und unter einem Preßdruck von größer 80 MPa kalt kompaktiert und anschließend durch Strangpressen um mindesten 87,5 % umgeformt (extrudiert), damit die Pulverpartikel fest miteinander verbunden (verschweißt) sind. Die Temperatur beim Strangpressen muß unterhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels liegen. Der stranggepreßte Stab wird anschließend in einer Form auf mindestens die Schmelztemperatur des Metalls erwärmt. Der Stab wird dabei zu einem porösen Metallkörper aufgeschäumt. Die Auf schäumung kann in verschiedenen Formen erfolgen, so daß der fertige poröse Metallkörper die gewünschte Form aufweist.

[0005] Aus der Patentschrift DE 40 18 360 C1 ist ein das oben beschriebene Verfahren verbesserndes Herstellungsverfahren für poröse Metallkörper bekannt, wobei mindestens ein Metallpulver und mindestens ein gasabspaltendes Treibmittelpulver gemischt werden und die Mischung durch Heißkompaktieren zu einem Halbzeug geformt wird. Das Halbzeug wird dann zum Aufschäumen auf Temperaturen oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels, vorzugsweise im Temperaturbereich des Schmelzpunkes des verwendeten Metalles, aufgeheizt. Anschließend findet ein Abkühlen des so aufgeschäumten Körpers statt.

[0006] Aus der Patentschrift DE 41 01 630 C2 ist ein Herstellungsverfahren für aufschäumbare Metallkörper bekannt, bei dem beim Kompaktierungsvorgang die Temperatur so hoch gewählt wird, daß die Verbindung zwischen den einzelnen Metallpulverteilchen überwiegend durch Diffusion erfolgt und der Druck beim Heißkompaktieren so hoch gewählt wird, daß die Zersetzung des Treibmittels verhindert wird.

[0007] Die bekannten Verfahren sind noch nicht in jeder Hinsicht zufriedenstellend, insbesondere ist die damit zur Verfügung stehende Variationsbreite nicht befriedigend.

[0008] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art aufzuzeigen, durch welche die Herstellung von aufschäumbaren Metallkörpern vereinfacht und/oder die Variabilität bei der Herstellung von aufschäumbaren Metallkörpern vergrößert wird.

[0009] Diese Aufgabe wird für das Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Herstellung des kompakten Körpers durch thermische Spritzen des Pulvergemisches mittels Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder mittels Kaltgasspritzen erfolgt.

[0010] Die Aufgabe wird für die Vorrichtung dadurch gelöst, daß die Mittel zur Herstellung des kompakten Körpers aus dem Pulvergemisch eine Vorrichtung zum thermischen Spritzen mittels Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens oder mittels Kaltkasspritzens umfassen.

[0011] Thermische Spritzverfahren zeichnen sich im wesentlichen dadurch aus, daß sie gleichmäßig aufgetragene Beschichtungen von hoher Qualität und Güte ermöglichen. Durch thermische Spritzverfahren aufgetragene Beschichtungen können durch Variation der Spritzmaterialien und/oder der Verfahrensparameter an unterschiedliche Anforderungen angepaßt werden. Die Spritzmaterialien können dabei grundsätzlich in Form von Drähten, Stäben oder als Pulver verarbeitet werden. Es kann zusätzlich eine Nachbehandlung vorgesehen sein.

[0012] Details zum thermischen Spritzen sind beispielsweise der europäischen Norm EN 657 zu entnehmen.

[0013] Eine seit geraumer Zeit bekannte Verfahrensvariante des thermischen Spritzens stellt das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (teilweise auch als HVOF-Verfahren [High Velocity Oxy-Fuel] bezeichnet) dar.

[0014] In jüngerer Zeit wurde darüber hinaus ein weiteres thermisches Spritzverfahren entwickelt, welches auch als Kaltgasspritzen bezeichnet wird. Es handelt sich dabei um eine Art Weiterentwicklung des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens. Dieses Verfahren ist beispielsweise in der europäischen Patentschrift EP 0 484 533 B1 beschrieben. Beim Kaltgasspritzen kommt ein Zusatzwerkstoff in Pulverform zum Einsatz. Die Pulverpartikel werden beim Kaltgasspritzen jedoch nicht im Gasstrahl geschmolzen. Vielmehr liegt die Temperatur des Gasstrahles unterhalb des Schmelzpunktes der Zusatzwerkstoffpulverpartikel (EP 0 484 533 B1). Im Kaltgasspritzverfahren wird also ein im Vergleich zu den herkömmlichen Spritzverfahren "kaltes" bzw. ein vergleichsweise kälteres Gas verwendet. Gleichwohl wird das Gas aber ebenso wie in den herkömmlichen Verfahren erwärmt, aber in der Regel lediglich auf Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes.

[0015] Je nach dem verwendeten thermischen Spritzverfahren ― mittels des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahrens oder mittels des Kaltgasspritzverfahrens ― ergibt sich eine kompakter Körper mit bestimmten Eigenschaften. Als Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren können dabei das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen der ersten und der zweiten Generation mit mittleren Spritzpartikelgeschwindigkeiten von 400 bis 500 m/s (gemessen mit einem Spritzpulver WC-Co mit einer Körnung ― 45µm + 10 µm, d.h. einer Verteilung bezüglich der Körnerdurchmesser von 10 bis 45 µm) und bevorzugt das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen der dritten Generation mit Spritzpartikelgeschwindigkeiten von 500 bis 700 m/s (gemessen mit einem Spritzpulver WC-Co mit einer Körnung ― 45 µm + 10 µm) zum Einsatz kommen. Beim Kaltgasspritzen können die Pulverpartikel auf eine Geschwindigkeit von 300 bis 1600 m/s beschleunigt werden. Es eignen sich dabei insbesondere Geschwindigkeiten der Pulverpartikel zwischen 500 und 1200 m/s zur Erzielung besonders hoher Auftragswirkungsgrade und Schichtdichten.

[0016] Als Materialien für das Metallpulver können im Rahmen der Erfindung alle geeigneten metallhaltigen Spritzpulver, insbesondere

• reine Metalle,
• Metallegierungen,
• Metalle und/oder Metallegierungen mit Zusätzen an Hartstoffen wie Metalloxide (insbesondere Al₂O₃ und/oder TiO₂), Carbide, Boride und/oder mit Zusätzen an Kunststoffen
  oder
• Mischungen der vorgenannten Stoffe

verwendet werden.

[0017] Gemäß der Erfindung wird Metallpulver zusammen mit einem das Treibmittel enthaltende Pulver durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Kaltgasspritzen zu einem kompakten Körper verarbeitet. Der kompakte Körper kann dabei als Schicht oder als Formkörper vorliegen. Wegen der kurzen Verweilzeit des Pulvers (üblicherweise liegt diese im Bereich einiger Millisekunden) beim Hochgeschwindigkeits-Kaltgasspritzen in dem aufgeheizten Trägergasstrahl bleibt das Treibmittel zumindest im wesentlichen gebunden. Es wird falls gewünscht erst beim anschließenden Aufheizen zum Aufschäumen frei. Entscheidend beim erfindungsgemäß eingesetzten technischen Spritzverfahren ist, daß das Treibmittelpulver beim Spritzvorgang im wesentlichen kein Gas abspaltet Beim Kaltgasspritzen wird dies außer durch die kurze Verweilzeit des Pulvers auch durch die niedrige Prozeßtemperatur des Kaltgasspritzens mit einem auf wenige 100°C aufgeheizten Trägergasstrahl gewährleistet. Das Kaltgasspritzen wird deshalb bevorzugt eingesetzt.

[0018] Durch die Erfindung wird ein einfach und vielseitig anwendbares Verfahren zur Herstellung der aufschäumbaren Metallkörper zur Verfügung gestellt. Die so hergestellten Metallkörper können durch Aufheizen auf eine Temperatur gleich oder bevorzugt oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels und anschließendem Abkühlen zur Herstellung von porösen Metallkörpern oder Metallschäumen verwendet werden. In der Regel ist die Zersetzungstemperatur des Treibmittels keine scharfer Temperaturwert sondern ein Temperaturbereich. Im Rahmen der Erfindung wird daher unter einer Temperatur gleich oder bevorzugt oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels in diesen Fällen eine Temperatur im Zersetzungstemperaturbereich oder bevorzugt oberhalb der Zersetzungstemperaturbereichs des Treibmittels verstanden.

[0019] Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann die Pulvermischung aus Metall plus Treibmittel in nahezu beliebigen Mischungsverhältnissen gespritzt werden. Das ermöglicht, daß das Mischungsverhältnis von Metallpulver und Treibmittelpulver jeweils an die gewünschten Bedingungen angepaßt wird.

[0020] In Ausgestaltung der Erfindung kann das Pulvergemisch aus Metallpulver und Treibmittelpulver bei der Herstellung des aufschäumbaren Metallkörpers bezüglich seiner Parameter wie der Zusammensetzung, aber insbesondere bezüglich des Mischungsverhältnisses verändert werden. Besondere Vorteile ergeben sich, wenn das Pulvergemisch mit verändertem Treibmittelanteil gespritzt wird. Denn durch eine Veränderung des Mischungsverhältnisses von Metall und Treibmittel können Schichten und Strukturen mit einem sich vorzugsweise definiert verändernden Treibmittelanteil gespritzt werden (gradierte Schichten, Strukturen).

[0021] Im Rahmen der Erfindung hat sich gezeigt, daß ein Treibmittelanteil im Pulvergemisch zwischen 0,01 und 1,0 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,5 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 0,3 Gew.-%, geeignet ist.

[0022] In Ausgestaltung der Erfindung umfaßt das gasabspaltende Treibmittelpulver als Treibmittel Metallhydride, wie beispielsweise Titanhydrit (TiH₂), Karbonate, wie beispielsweise Calziumkarbonat, Kaliumkarbonat, Natriumkarbonat oder Natriumbikarbonat, Hydrate, wie beispielsweise Aluminiumsulfathydrat, Alaun, Aluminiumhydroxid oder leicht verdampfende Stoffe wie beispielsweise Quecksilberverbindungen oder pulverisierte organische Substanzen oder Mischungen der vorgenannten Stoffe.

[0023] Mit Vorteil kann das Pulvergemisch auf einen Substratträger gespritzt werden, wobei zumindest zeitweise eine Relativbewegung zwischen dem Substratträger und der Vorrichtung zum thermischen Spritzen des Pulvergemisches mittels Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens oder Kaltgasspritzens erfolgt. Es können beispielsweise mit dem Pulvergemisch Formteile gespritzt werden, wobei beispielsweise die Spritzpistole der Vorrichtung zum thermischen Spritzen und/oder der Substratträger bewegt werden.

[0024] Das Pulvergemisch kann erfindungsgemäß auf jeden geeigneten Substratträger insbesondere auf ein Trägermaterial aus Metall, Kunststoff, Keramik und/oder Glas gespritzt werden. Mit Vorteil kann der kompakte Körper vom Trägermaterial gelöst werden, bevor durch Erwärmung eine Gasabspaltung aus dem Treibmittel zum Aufschäumen des kompakten Körpers erfolgt.

[0025] In Weiterbildung der Erfindung kann der kompakte Körper vor der Gasabspaltung aus dem Treibmittel zum Aufschäumen des kompakten Körpers unter Änderung des Druckes und/oder der Temperatur verformt oder umgeformt werden. Als Umformungen kommen beispielsweise Strangpressen oder Walzen in Frage.

[0026] In einer anderen Weiterbildung der Erfindung wird das Pulvergemisch auf die Innenseite einer Form gespritzt, die mit Metallschaum ganz oder teilweise ausgeschäumt werden soll. Durch Aufheizen auf eine Temperatur gleich oder bevorzugt oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels wird der Metallschaum gefertigt.

[0027] In einer anderen Weiterbildung der Erfindung werden zumindest zwei Lagen gespritzt, wobei zumindest eine Lage mit dem Metallpulver und gasabspaltendes Treibmittelpulver umfassenden Pulvergemisch und zumindest eine weitere Lage mit Metallpulver ohne gasabspaltendes Treibmittels thermisch gespritzt werden. Beispielsweise kann das Pulvergemisch aus Metall und Treibmittel nur lagenweise zwischen zwei Metallschichten gespritzt werden.

[0028] Durch Aufheizen des kompakten Körpers, der nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist, auf eine Temperatur gleich oder bevorzugt oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels und durch eine nachfolgende Abkühlung kann ein Metallschaum hergestellt werden. Bevorzugt erfolgt ein Aufheizen des kompakten Körpers auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Metalls oder oberhalb der Sollidustemperatur der Metallegierung. In diesem Fall schäumt das als Gas entweichende Treibmittel die Metallschmelze auf. Dieser Schaum bildet nach dem Erkalten einen porösen Hohlkörper. Bevorzugt wird also das beim Zersetzen des Treibmittels frei werdende Gas das Metall oder die Metallegierung als Schmelze aufschäumen.

[0029] Es können Formteile hergestellt werden, die zumindest einen Metallschaum umfassen. Andererseits sind Verbundkörper herstellbar, die zumindest einen Metallschaum als Schicht auf oder zwischen einem Substratträger umfassen. Bei Formteilen oder Verbundkörpern können neben der zumindest einen aufgeschäumten Metallschicht zumindest eine weitere thermisch gespritzte Schicht vorhanden sein.

[0030] Als Treibmittel eignet sich insbesondere Titanhydrid (TiH₂).

[0031] Titanhydrid kann beispielsweise mittels Kaltgasspritzens zusammen mit anderen Metallpulvern aus Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Eisen (Fe), Titan (Ti) sowie Legierungen die eines oder mehrere dieser Metalle enthalten, gespritzt werden. In der Regel reicht ein relativ kleiner Mengenanteil des Treibmittels zum Aufschäumen des kompakten Körpers aus. Beispielsweise führt ein Pulvergemisch mit 0,2 Gew.-% TiH₂ und mit im wesentlichen Al als Metallpulver zu einem Schaumkörper mit etwa fünffacher Volumenvergrößerung. Ein Treibmittelanteil von 1,0 Gew.-% TiH₂ vergrößert das Volumen von Al um mehr als das Zehnfache.

[0032] Das für das thermische Spritzen benötigte Gas kann Stickstoff, Helium, Argon, Neon, Krypton, Xenon, ein Wasserstoff enthaltendes Gas, ein kohlenstoffhaltiges Gas, insbesondere Kohlendioxid, Sauerstoff, ein Sauerstoff enthaltendes Gas, Luft, Wasserdampf oder Mischungen der vorgenannten Gase enthalten. Neben den aus der EP 0 484 533 B1 bekannten Gasen Luft und/oder Helium eignen sich auch für das den pulverförmigen Zusatzwerkstoff tragende Gas ein Stickstoff, Argon, Neon, Krypton, Xenon, Sauerstoff, ein Wasserstoff enthaltendes Gas, ein kohlenstoffhaltiges Gas, insbesondere Kohlendioxid, Wasserdampf oder Mischungen der vorgenannten Gase und Mischungen dieser Gase mit Helium. Der Anteil des Helium am Gesamtgas kann bis zu 90 Vol.-% betragen. Bevorzugt wird ein Heliumanteil von 10 bis 50 Vol.-% im Gasgemisch eingehalten.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von aufschäumbaren Metallkörpern, wobei aus einem Pulvergemisch, welches zumindest ein Metallpulver und zumindest ein gasabspaltendes Treibmittelpulver, welches bei Aufheizen auf eine Temperatur gleich oder oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels Gas abspaltet, umfaßt, ein kompakter Körper hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung des kompakten Körpers durch thermisches Spritzen des Pulvergemisches mittels Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens oder mittels Kaltgasspritzens erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischungsverhältnis von Metallpulver und Treibmittelpulver jeweils an die gewünschten Bedingungen angepaßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvergemisch aus Metallpulver und Treibmittelpulver bei der Herstellung des aufschäumbaren Metallkörpers insbesondere bezüglich des Mischungsverhältnisses verändert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvergemisch mit veränderndem Treibmittelanteil gespritzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibmittelanteil im Pulvergemisch zwischen 0,01 und 1,0 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,5 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 0,3 Gew.-%, beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das gasabspaltende Treibmittelpulver als Treibmittel Metallhydride, Karbonate, Hydrate, Alaun, Aluminiumhydroxid und/oder Quecksilberverbindungen und/oder pulverisierte organische Substanzen umfaßt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvergemisch auf einen Substratträger gespritzt wird und zumindest zeitweise eine Relativbewegung zwischen dem Substratträger und der Vorrichtung zum thermischen Spritzen des Pulvergemisches erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvergemisch auf ein Trägermaterial aus Metall, Kunststoff, Keramik und/oder Glas gespritzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der kompakte Körper vor der Gasabspaltung aus dem Treibmittel zum Aufschäumen des kompakten Körpers vom Trägermaterial gelöst wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der kompakte Körper vor der Gasabspaltung aus dem Treibmittel zum Aufschäumen des kompakten Körpers unter Änderung des Druckes und/oder der Temperatur verformt und/oder umgeformt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvergemisch auf die Innenseite einer Form gespritzt wird, die mit Metallschaum ganz oder teilweise ausgeschäumt werden soll.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Lagen gespritzt werden, wobei zumindest eine Lage mit dem Metallpulver und gasabspaltendes Treibmittelpulver umfassenden Pulvergemisch und zumindest eine weitere Lage mit Metallpulver ohne gasabspaltendes Treibmittel thermisch gespritzt werden.

13. Metallschaum, dadurch gekennzeichnet, daß er durch Aufheizen eines kompakten Körpers, der nach einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche hergestellt ist, auf eine Temperatur gleich oder oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels und durch nachfolgende Abkühlung hergestellt ist.

14. Metallschaum nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aufheizen des kompakten Körpers auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Metalls oder oberhalb der Sollidustemperatur der Metallegierung hergestellt ist.

15. Formteil umfassend zumindest einen Metallschaum nach Anspruch 13 oder 14.

16. Verbundkörper umfassend zumindest einen Metallschaum nach Anspruch 13 oder 14 als Schicht auf oder zwischen einem Substratträger.

17. Formteil oder Verbundkörper nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß neben der zumindest einen aufgeschäumten Metallschicht zumindest eine weitere thermisch gespritzte Schicht vorhanden ist.

18. Vorrichtung zum Herstellen von Metallschäumen, umfassend

• Mittel zur Zufuhr eines Pulvergemisches, welches zumindest ein Metallpulver und zumindest ein gasabspaltendes Treibmittelpulver beinhaltet,

• Mittel zur Herstellung eines kompakten Körpers aus dem Pulvergemisch und

• Mittel zum Aufheizen des kompakten Körpers auf eine Temperatur gleich oder oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels unter Abspaltung von Gas,

dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittel zur Herstellung des kompakten Körpers aus dem Pulvergemisch eine Vorrichtung zum thermischen Spritzen des Pulvergemisches mittels Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens oder mittels Kaltgasspritzens umfassen.