DE102010022599B3 - Producing a closed-porous metal foam, comprises subjecting a composite made of metal/metal alloy and propellant to a heat treatment, where the heating of the composite is sufficient, so that propellant forms propellant gas - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines geschlossenporigen Metallschaums, bei dem ein Verbund aus einem Metall oder einer Metalllegierung und einem Treibmittel zur Verfügung gestellt wird. Dieser Verbund wird einer Wärmebehandlung unterworfen, wobei die Erwärmung des Verbundes ausreicht, damit das Treibmittel unter Ausbildung von geschlossenen Poren im Verbund ein Treibgas ausbildet. Dies bedeutet, dass die geschlossenen Poren dadurch entstehen, dass das Treibgas entsteht und in den sich ausbildenden geschlossenen Poren gefangen wird.The invention relates to a method for producing a closed-cell metal foam, in which a composite of a metal or a metal alloy and a blowing agent is provided. This composite is subjected to a heat treatment, wherein the heating of the composite is sufficient for the blowing agent to form a propellant gas while forming closed pores in the composite. This means that the closed pores are created by the propellant gas being formed and trapped in the forming closed pores.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Bauteil, welches zumindest teilweise aus einem geschlossenporigen Metallschaum besteht.Furthermore, the invention relates to a component which consists at least partially of a closed-cell metal foam.
Ein Bauteil mit einer Komponente eines geschlossenporigen Metallschaums sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung ist beisplelsweise aus der
Metallschäume werden beispielsweise zur Abdichtung von Gehäusestrukturen verwendet. Gemäß der
Weiterhin muss das ausgewählte Treibmittel hinsichtlich seiner thermischen Eigenschaften so ausgewählt werden, dass es zur Solidus-Temperatur des zu schäumenden Metalls (oder der zu schäumenden Metalllegierung) passt. Hierbei darf die Temperaturdifferenz zwischen der Solidus-Temperatur des Metalls und der geringeren Temperatur, bei der das Treibmittel das Treibgas freisetzt, nicht mehr als 120°C betragen. Nur so ist gewährleistet, dass sich zuverlässig ein Metallschaum bildet. Ist im Folgenden von Metallschäumen die Rede, so sind hiermit auch Schäume aus Metalllegierungen zu verstehen.Furthermore, the selected blowing agent must be selected for thermal properties to match the solidus temperature of the metal to be foamed (or the metal alloy to be foamed). Here, the temperature difference between the solidus temperature of the metal and the lower temperature at which the propellant releases the propellant must not exceed 120 ° C. This is the only way to ensure that a metal foam is reliably formed. If we talk about metal foams in the following, foams made of metal alloys are also to be understood here.
Gemäß der
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur Erzeugung eines geschlossenporigen Metallschaums sowie ein Bauteil mit einem solchen geschlossenporigen Metallschaum anzugeben, bei dem Metalle mit Solidus-Temperaturen von mehr als 660°C zum Einsatz kommen können.The object of the invention is to provide a method for producing a closed-cell metal foam and a component with such a closed-cell metal foam, in which metals with solidus temperatures of more than 660 ° C can be used.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als Treibmittel ein Metalloxid (oder mehrere Metalloxide) zum Einsatz kommt, wobei als Treibgas bei einem Zerfall des Metalloxids Sauerstoff als Treibgas freigesetzt wird. Die Metalloxide zerfallen nämlich oberhalb bestimmter Temperaturen zu dem im Oxid gebundenen Sauerstoff und dem reinen Metall. Da diese Temperaturen recht hoch sind, können vorteilhaft Metalle zur Herstellung der Metallschäume Verwendung finden, deren Solidus-Temperatur bis 2000°C betragen. Besonders vorteilhaft ist es, Edelmetalloxide zu verwenden, da diese aufgrund ihrer geringeren Affinität zu Sauerstoff leichter in die Metallkomponente und die Sauerstoffkomponente zerfallen, und zwar bei Temperaturen, die für die Bildung von Metallschäumen interessant sind. So zerfallen Iridiumoxid und Platinoxid beispielsweise bei Temperaturen um 1200°C, Rutheniumoxid und Rhodiumoxid bei Temperaturen von ungefähr 1100°C und Molybdändioxid ebenfalls bei 1100°C. Oxide mit höheren Zerfallstemperaturen sind Magnetit mit einer Zerfallstemperatur von 1580°C, Kupfer(I)-Oxid mit einer Zerfallstemperatur von 1800°C und Vanadiumpentoxid mit einer Zerfallstemperatur von 1750°C. Es wird also deutlich, dass die Oxide je nach Solidus-Temperatur des zum Schäumen verwendeten Metalls geeignet ausgewählt werden können, wobei berücksichtigt werden muss, dass die Zerfallstemperatur des gewählten Metalloxids geringer ausfallen muss, als die betreffende Solidus-Temperatur des verwendeten Metalls, und zwar um bis zu 120°C.This object is achieved by the method mentioned in the present invention that as blowing agent, a metal oxide (or more metal oxides) is used, being liberated as a propellant gas in a decomposition of the metal oxide oxygen as a propellant gas. The metal oxides decompose above certain temperatures to the oxygen bound in the oxide and the pure metal. Since these temperatures are quite high, it is advantageous to use metals for producing the metal foams whose solidus temperature is up to 2000 ° C. It is particularly advantageous to use noble metal oxides, since these, because of their lower affinity for oxygen, decompose more easily into the metal component and the oxygen component, and at temperatures which are of interest for the formation of metal foams. For example, iridium oxide and platinum oxide decompose at temperatures of about 1200 ° C., ruthenium oxide and rhodium oxide at temperatures of about 1100 ° C. and molybdenum dioxide likewise at 1100 ° C. Oxides with higher decomposition temperatures are magnetite with a decomposition temperature of 1580 ° C, copper (I) oxide with a decomposition temperature of 1800 ° C and vanadium pentoxide with a decomposition temperature of 1750 ° C. It thus becomes clear that the oxides can be suitably selected according to the solidus temperature of the metal used for foaming, taking into account that the decomposition temperature of the selected metal oxide must be lower than the relevant solidus temperature of the metal used, by up to 120 ° C.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verbund aus Metallpartikeln oder Metalllegierungspartikeln gebildet ist, wobei zumindest ein Teil dieser Partikel mit einer Schicht des Treibmittels beschichtet ist. Hierbei wird das Treibmittel also bereits vor der Verarbeitung der Metallpartikel zu einem Bauteil (Grünling) so konditioniert, dass bei der Herstellung des Grünlings das Treibmittel bereits in den Grünling eingebaut wird. Die Konzentration des Treibmittels lässt sich durch die Dicke der Beschichtung auf den Partikeln, die Partikelgröße bzw. den Anteil von beschichteten Partikeln im Vergleich zu unbeschichteten Partikeln einstellen. Hierdurch steht vorteilhaft ein sehr genaues Verfahren zur Einstellung der Konzentration an Treibmittel zur Verfügung. Die Konzentration des Treibmittels entscheidet anschließend über die Größe und die Konzentration an Poren in dem Metallschaum und somit auch über dessen Dichte.According to another embodiment of the invention, it is provided that the composite is formed from metal particles or metal alloy particles, wherein at least a part of these particles is coated with a layer of the blowing agent. In this case, the blowing agent is thus already conditioned prior to the processing of the metal particles to form a component (green compact) so that the blowing agent is already incorporated into the green compact during the production of the green compact. The concentration of the blowing agent can be adjusted by the thickness of the coating on the particles, the particle size or the proportion of coated particles in comparison to uncoated particles. This advantageously provides a very accurate method for adjusting the concentration of propellant available. The concentration of propellant then decides on the size and concentration of pores in the metal foam and thus also on its density.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung wird erhalten, wenn der Verbund aus einer Schicht mit mehreren Lagen besteht, wobei aufeinanderfolgende Lagen aus dem Metall oder der Metalllegierung und aus dem Treibmittel vorgesehen sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn Lagen des Treibmittels und Lagen der Metalllegierung oder des Metalls einander abwechseln. Die Konzentration an Treibmittel kann dann durch das Verhältnis der Dicke der Metallschichten zu den Treibmittelschichten eingestellt werden. Allerdings müssen die Lagen hinreichend dünn ausgeführt sein, damit eine gleichmäßige Verteilung des Treibgases in dem Verbund erfolgen kann, so dass auch eine gleichmäßige Verteilung der Poren in dem sich ausbildenden Schaum erfolgt. Hierdurch lassen sich insbesondere größerflächige Bauteile vorteilhaft sehr wirtschaftlich mit Schichten eines Metallschaums überziehen.Another embodiment of the invention is obtained when the composite consists of a layer with several layers, wherein successive layers of the metal or the metal alloy and the blowing agent are provided. It is particularly advantageous if layers of the blowing agent and layers of the metal alloy or of the metal alternate with one another. The concentration of blowing agent can then be adjusted by the ratio of the thickness of the metal layers to the blowing agent layers. However, the layers must be made sufficiently thin so that a uniform distribution of the propellant gas can be carried out in the composite, so that there is a uniform distribution of the pores in the forming foam. As a result, in particular larger-area components can advantageously be coated very economically with layers of a metal foam.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn in den Verbund zusätzlich ein Material mit einem negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten eingebracht wird. Dies kann beispielsweise, wie oben für das Treibmittel bereits erläutert, durch Beschichten von Partikeln oder das Vorsehen von Lagen dieses Materials zwischen anderen Lagen des Metalls bzw. des Treibmittels erfolgen. Werden Materialien mit einem negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten in dem Metallschaum vorgesehen, so kann hierdurch der thermische Ausdehnungskoeffizient des Metallschaums beeinflusst werden, der hierdurch sinkt. Voraussetzung ist allerdings, dass das Material thermisch so beständig ist, dass es die zur Bildung des Metallschaumes notwendige Wärmebehandlung übersteht.It is particularly advantageous if a material having a negative coefficient of thermal expansion is additionally introduced into the composite. This may, for example, as already explained above for the blowing agent, by coating of particles or the provision of layers of this material between other layers of the metal or the blowing agent. If materials with a negative coefficient of thermal expansion are provided in the metal foam, this can influence the thermal expansion coefficient of the metal foam, which thereby decreases. The prerequisite is, however, that the material is thermally resistant so that it survives the heat treatment necessary for the formation of the metal foam.
Der durch das Material verringerte thermische Ausdehnungskoeffizient des Metallschaumes ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Metallschaum mit Bauteilen in Verbindung gebracht wird, welche einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen als der Metallschaum, bei dem die Komponente des Materials mit dem negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten fehlt. Beispielsweise können Metallschäume durch diese Maßnahme vorteilhaft zuverlässig mit keramischen Bauteilen oder gläsernen Bauteilen verbunden werden. Die Verbindung zwischen dem entsprechenden Bauteil und dem Metallschaum ist durch Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Metallschaum und Bauteil geringeren mechanischen Belastungen ausgesetzt. Insbesondere kann hierdurch erreicht werden, dass eine dichtende Verbindung zwischen dem Metallschaum und dem Bauteil zuverlässiger und über einen längeren Zeitraum erfolgen kann.The reduced by the material thermal expansion coefficient of the metal foam is particularly advantageous if the metal foam is associated with components, which have a lower coefficient of thermal expansion than the metal foam, in which the component of the material with the negative coefficient of thermal expansion is missing. For example, metal foams can advantageously be reliably connected to ceramic components or glass components by this measure. The connection between the corresponding component and the metal foam is exposed by adapting the thermal expansion coefficients of metal foam and component lower mechanical loads. In particular, this can be achieved that a sealing connection between the metal foam and the component can be made more reliable and over a longer period.
Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Bauteil gelöst, bei dem in dem zum Einsatz kommenden Metallschaum die geschlossenen Poren Sauerstoff als Treibgas enthalten. Der Sauerstoff wird als Treibgas durch die bereits erwähnten Metalloxide zur Verfügung gestellt, die bei dem erfindungsgemäßen Bauteil das Treibmittel zur Verfügung stellen. Hierzu eignen sich bei den in dem Bauteil verwendeten Metallschäumen, bestehend aus Metalle mit Solidus-Temperaturen von 1100°C bis 1900°C, lediglich die bereits oben erwähnten Metalloxide, die bei entsprechenden Temperaturen zerfallen und somit den Sauerstoff als Treibgas zur Verfügung stellen. Dabei muss in der bereits beschriebenen Weise das zu schäumende Metall mit seiner Solidus-Temperatur jeweils zum Treibmittel passend ausgewählt werden, d. h. dass die Solidus-Temperatur um bis zu 120°C höher liegt als die Zerfallstemperatur des betreffenden Treibmittels (Metalloxid).Furthermore, the object is achieved by a component in which the closed pores contain oxygen as a propellant gas in the metal foam used. The oxygen is provided as a propellant gas by the metal oxides already mentioned, which provide the blowing agent in the component according to the invention. Suitable for this purpose in the metal foams used in the component, consisting of metals with solidus temperatures of 1100 ° C to 1900 ° C, only the metal oxides already mentioned above, which decompose at appropriate temperatures and thus provide the oxygen as a propellant available. In this case, in the manner already described, the metal to be foamed, with its solidus temperature, has to be suitably selected in each case for the blowing agent, ie. H. that the solidus temperature is up to 120 ° C higher than the decomposition temperature of the respective propellant (metal oxide).
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Bauteils ist vorgesehen, dass dieses als Gehäusestruktur aus einem vom Metallschaum verschiedenen Material mit einem eine Öffnung aufweisenden Hohlraum ausgebildet ist, wobei die Öffnung durch den Metallschaum verschlossen ist. Hierbei ist vorteilhaft eine hermetische Versiegelung des Hohlraums möglich, da sie zwischen dem Metallschaum und der Gehäusestruktur im Bereich der Öffnung eine innige Verbindung ausbildet. Insbesondere, wenn der Metallschaum hinsichtlich seines thermischen Ausdehnungskoeffizienten in der oben angegebenen Weise an denjenigen der Gehäusestruktur angepasst ist, lässt sich eine hermetische Versiegelung auch bei thermischer Belastung des Bauteils über einen längeren Zeitraum vorteilhaft sicherstellen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der Hohlraum durch einen Glaskörper, insbesondere einer Lampe, ausgebildet ist.According to an advantageous embodiment of the component is provided that this is formed as a housing structure of a different material from the metal foam with a cavity having an opening, wherein the opening is closed by the metal foam. In this case, a hermetic sealing of the cavity is advantageously possible because it forms an intimate connection between the metal foam and the housing structure in the region of the opening. In particular, if the metal foam is adapted in terms of its coefficient of thermal expansion in the manner indicated above to that of the housing structure, a hermetic seal can be advantageously ensured even under thermal stress of the component over a longer period. This is particularly advantageous if the cavity is formed by a glass body, in particular a lamp.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind in den einzelnen Figuren jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:Further details of the invention are described below with reference to the drawing. Identical or corresponding drawing elements are each provided with the same reference numerals in the individual figures and will only be explained several times insofar as there are differences between the individual figures. Show it:
Ein Bauteil mit einer Gehäusestruktur
In der rechten Hälfte der Darstellung gemäß
Wie groß die Konzentration an Poren
Bei der Gehäusestruktur
Gemäß
Gemäß
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