EP1073778A1 - Verfahren zur herstellung einer gesinterten metallschicht mit offener porosität - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer gesinterten metallschicht mit offener porosität

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EP1073778A1
EP1073778A1 EP98922732A EP98922732A EP1073778A1 EP 1073778 A1 EP1073778 A1 EP 1073778A1 EP 98922732 A EP98922732 A EP 98922732A EP 98922732 A EP98922732 A EP 98922732A EP 1073778 A1 EP1073778 A1 EP 1073778A1
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EP
European Patent Office
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layer
suspension
sintered
carrier body
metal
Prior art date
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EP98922732A
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English (en)
French (fr)
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EP1073778B1 (de
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Peter Neumann
Andreas Kuhstoss
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GKN Sinter Metals GmbH
Original Assignee
GKN Sinter Metals GmbH
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Publication date
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Publication of EP1073778B1 publication Critical patent/EP1073778B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/082Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat without intermediate formation of a liquid in the layer
    • C23C24/085Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/082Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat without intermediate formation of a liquid in the layer
    • C23C24/085Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides
    • C23C24/087Coating with metal alloys or metal elements only

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a thin metal layer with open porosity from a sinterable metal powder.
  • porous bodies are required for the most varied of applications, through which a flowing medium flows, whereby either reactive processes are to be supported or solid particles contained in the flowable medium are retained, i. H. should be filtered out.
  • Filter bodies made of ceramic material have to be made relatively thick due to the risk of breakage.
  • filter bodies made of pressed and sintered metal powders are relatively thick for manufacturing reasons. Because of the thickness that cannot be reduced, correspondingly large flow resistances occur, particularly in the case of fine-pored material.
  • the use of plastics as filter material is limited by the lower strength and the low temperature resistance.
  • the use of metallic materials as a porous layer is known in the form of woven or non-woven fabrics made from metal fibers.
  • a method for producing porous, metallic sintered workpieces in which a metal powder is first suspended in a carrier liquid which consists of a binder dissolved in a solvent and which is adjusted so that the Suspension is pourable. This suspension is poured into a mold. The solvent is then evaporated, so that the metal powder is solidified by the remaining binder in the geometry given by the shape and forms a manageable green body. After separation from the mold, the green body is sintered in the usual way.
  • This previously known method is preferably provided for the production of relatively thick-walled sintered parts which, due to their geometry, can be produced better by a casting process than in the conventional method by pressing a metal powder into a mold. Thin-layered, open, porous parts cannot be produced with this process.
  • the invention is based on the object of improving the known method in such a way that thin, porous and, if necessary, self-supporting metal layers can also be produced.
  • the individual powder particles although firmly connect in 'sintering, however, remain between the powder particles clearances arising an open porosity with respect to the thickness of the metal layer so that the metal layer for flowing media is permeable.
  • the size of the porosity can be influenced via the particle size of the metal powder used, so that very thin porous metal layers with a predeterminable pore size can be produced. Since inhomogeneities and cavities can occur during production, the layer thickness must correspond to at least 3 times the diameter D of the powder particles.
  • the above-mentioned ratio between the layer thickness s and the particle diameter D ensures that there are always several “layers” of powder particles one above the other and continuous “holes” that are larger than the desired porosity are avoided. It is particularly expedient here if the layer thickness ⁇ is 5 to 15 times, preferably 10 to 15 times the diameter D of the powder particles. In this way, "continuous deletion" can be avoided.
  • Diameter D is to be understood as the mean particle diameter of the metal powder used.
  • Metal powders in the sense of the invention are to be understood not only as powders made from pure metals, but also powders made from metal alloys and / or powder mixtures made from different metals and metal alloys. These include, in particular, steels, preferably chromium-nickel steels, bronzes, nickel-based alloys such as Hastalloy, Inconel or the like, where powder mixtures can also contain high-melting components, such as platinum or the like.
  • the metal powder to be used and its particle size depend on the particular application.
  • the consistency of the suspension to be set via the carrier liquid essentially depends on how the suspension is applied to the carrier body. In the case of a casting, possibly with subsequent wiping of an over Shot from the cast suspension layer, the suspension can be adjusted in a slightly thick consistency. In the case of so-called film casting or spraying, a low-viscosity consistency must be specified.
  • the carrier liquid is formed by a binder liquefied with an evaporable solvent. This ensures that the green layer also has sufficient strength due to the adhesion of the individual powder particles to one another via the binder.
  • the suspension is applied to the carrier body in succession in several thin partial layers.
  • the individual sub-layers can each be built up from an identical suspension. In a further embodiment of the invention, however, it is also possible for the individual
  • Sub-layers to use suspensions with different size distributions for the metal powder used and / or different metal powders This makes it possible, for example, to use metal powder on the one hand that gives the finished sintered metal layer a particularly good porosity, and on the other hand it is also possible to produce at least one metal layer that has particularly favorable properties in its metal composition for the intended use, for example catalytic properties.
  • the partial layer applied in each case is at least dried before the next partial layer is applied. This ensures that the partial layer initially applied is sufficiently solidified so that it is not deformed by the application method, for example by spraying on the next partial layer. On the other hand, the remaining solvent content in the previously applied, dried partial layer ensures makes sure that the next sub-layer is connected reliably and with the same packing density and that the finished green layer has the desired strength.
  • Another embodiment of the invention provides that the respective partial layer is sintered before the next partial layer is applied.
  • This method is particularly advantageous when different metal powders are used in a multi-layer structure that require highly divergent sintering temperatures.
  • This makes it possible for the partial layer which contains the metal powder with the highest sintering temperature to be applied first, and after the sintering of the first metal layer in a corresponding sequence to apply and sinter the next partial layers with the respectively lower sintering temperatures.
  • This has the advantage that the desired porosity of the individual partial layers is retained by the individual sintering steps, which would be lost if the suspension were applied in one layer with such a heterogeneous powder mixture and sintered in one step.
  • the remaining, low-sintering powder portions would become densely internal, so that the porosity would be largely lost.
  • the suspension is applied as a layer to a flat, flexible carrier body and, after drying, is separated from the carrier body as a green layer and sintered separately to form a membrane-like, porous finished part.
  • the advantage of this process is that a comparatively large-area green sheet can first be produced, from which, after drying by punching or cutting, sections of film and green sheet can be produced in the desired shape. In these sections, the green layer is removed from the carrier body and then sintered as an independent part. Plastic or metal foils can be used as carriers.
  • the carrier body is expediently coated with a release agent before the suspension is applied.
  • the suspension is applied as a layer to a high-temperature-resistant, preferably flat carrier body, dried thereon, sintered and then removed from the carrier body as a membrane-like, porous, metallic finished part.
  • a material is used as the carrier body that does not form a connection with the green layer on the carrier body during sintering, as is the case, for example, with ceramic materials, this method offers the possibility of producing a small proportion of membrane-like metallic porous finished parts industrially to manufacture by hand with extensive automation.
  • the particular advantage here is that the dry, still sensitive green layer for carrying out the sintering process does not have to be lifted from the support body and handled here, but that it is only removed after sintering.
  • the suspension can be applied to the carrier body by pouring or spraying.
  • a contour mask is placed on the carrier body before the suspension is applied. This makes it possible to apply the suspension to the carrier already in the intended final contour, so that a subsequent cutting process is not necessary.
  • Another advantage of using a contour mask is that the brought suspension also has the predetermined layer thickness in the edge area delimited by the contour mask.
  • the sintered membrane is ductile, mechanically stable and within certain limits is also elastic, with the particular advantage that a membrane of this type can be produced with a porosity and low flow resistance defined with narrow tolerances, the porosity being essentially determined by the particle size and the flow resistance by the thickness and Particle size of the sintered metal layer is determined.
  • the method also provides that the sintered porous membrane is calibrated by rolling. This measure allows a defined thickness to be set and the surface to be smooth. Furthermore, the pore size in the metal layer can be reduced in a defined manner since the small one
  • Thickness is not only the surface areas, but the metal layer as a whole is "completely reforested". But this also gives you the option of initially using a membrane 8th
  • the carrier body is also a component of the finished part and accordingly the metal layer is to be firmly connected to it
  • the suspension is applied to at least one surface of a metallic carrier body, dried and the green layer is then firmly attached to the carrier body is sintered on.
  • the carrier body can in turn be a sintered molded part, also a porous sintered molded part with a coarser pore structure.
  • the suspension can in turn be applied to the surface of the carrier body by thin-layer casting, spraying or dipping.
  • the metal layer can be applied to the outer wall and / or the inner wall.
  • the metallic carrier body is formed by a tubular carrier body, then in an embodiment of the method according to the invention it is provided that when applying the
  • Suspension and at least during part of the drying time of the carrier body is rotated about the tube axis. This ensures that the layer thickness is retained as a green layer on the carrier body until the suspension solidifies.
  • Porous membranes produced as a finished part or porous metal layers applied to a porous carrier body are particularly suitable for use as a filter and, with a corresponding adjustment of the porosity of the metal layer, also as a microfilter.
  • a component can also be used as catalysts with a suitable composition with regard to the metal powder used and with a corresponding porosity.
  • Fig. 3 shows a process flow in which the part is formed by an injection molding process and sintered with the aid of a carrier body.
  • a suspension formed from a sinterable metal powder and a carrier liquid is applied to a carrier body 2 in the form of a larger film section made of a plastic film or metal film as a thin layer 3 with the aid of a spray or pouring head 1.
  • the carrier body 2 coated with a thin suspension layer 3 is then passed through a larger film section into a drying device 4, in which the carrier liquid, for example ethanol or isopropanol, is evaporated under the action of heat.
  • the carrier liquid for example ethanol or isopropanol
  • the film section thus dried and now provided with a solid green layer 3.1 is subsequently fed to a punching device 5, in which a part 7 is punched out in the desired outer contour together with the film part adhering as carrier body 2 with the aid of a punch knife 6.
  • the part 2.1 of the carrier film which is also punched out is removed from the green layer 3.1, which is then introduced as green compact 3.2 into a sintering furnace 9 and sintered there under the conditions to be specified for the respective powder composition.
  • the finished part 3.3 in the form of a solid, thin metal layer with open porosity can then be removed from the sintering furnace 9.
  • a mask 10 is placed on a flexible but otherwise dimensionally stable support body 2.2, for example made of a silicone rubber, which is provided with a cutout 11 which corresponds to the desired final contour of the porous metal layer part to be produced. Then - as described with reference to FIG. 1 - the carrier body 2.2 provided with a corresponding mask is sprayed with the metal suspension with the aid of a spray or pouring head 1, so that the area delimited by the cutout 11 of the mask 10 has a corresponding area on the carrier body 2.2 , thin suspension layer 3 is applied.
  • the mask 10 can be provided with a corresponding plurality of cutouts 11 with a corresponding area size of the carrier body 2.2.
  • the mask 10 is removed so that the carrier body 2.2 with the thin suspension layer 3 remaining thereon can be introduced into the drying oven 4, in which the carrier liquid is evaporated.
  • the green layer 3 is removed from the carrier body 2.2, which is indicated schematically here by bending the carrier body 2.2 at the edge of a cutting edge 12, so that the isolated green body is then sintered again in the sintering furnace 9.
  • the finished part 3.3 can then be obtained from the sintering furnace 9 in the form of a solid, thin one LO LO t to l- 1 P 1 ⁇ i O L ⁇ o L ⁇ o L ⁇

Description

Bezeichnung Verfahren zur Herstellung einer gesinterten Metallschicht mit offener Porosität
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen Metallschicht mit offener Porosität aus einem sinterfähigen Metallpulver.
In der Technik werden für die vielfältigsten Anwendungszwecke poröse Körper benötigt, die von einem strömenden Medium durchströmt werden, wobei entweder reaktive Vorgänge unterstützt werden sollen oder aber im strömungsfähigen Medium enthaltene Feststoffteilchen zurückgehalten, d. h. ausgefiltert werden sollen. Filterkörper aus keramischem Material müssen wegen der Bruchgefahr relativ dick ausgebildet werden.Auch Filterkörper aus gepreßten und gesinterten Metallpulvern sind aus herstellungstechnischen Gründen verhältnis- mößig dick. Wegen der nicht zu vermindernden Dicke treten, besonders bei feinporigem Material, entsprechend große Strömungswiderstände auf. Der Verwendung von Kunststoffen als Filtermaterial sind Grenzen gesetzt durch die geringere Festigkeit und die geringe Temperaturbeständigkeit. Eine Ver- wendung von metallischen Werkstoffen als poröse Schicht ist bekannt in Form von aus Metallfasern hergestell-ten Geweben oder Vliesen.
Bei einer derartigen, von einem Medium durchströmten porösen Schicht besteht das Bedürfnis, unerwünschte Strömungswiderstände zu minimieren, so daß möglichst dünne Schichtdicken anzustreben sind. Aus metallischem Gewebe oder Vlies lassen sich zwar entsprechend dünne Schichten, beispielsweise in einer Dicke von etwa lOOμm, herstellen. Diese sind jedoch wenig formstabil, weisen verhältnismäßig große Poren und hinsichtlich der Porosität große Toleranzen auf. Da zur Herstellung derartiger Gewebe und Vliese entsprechend dünne und daher auch teure Drähte verwendet werden müssen, sind die hieraus hergestellten Gewebe und Vliese entsprechend teuer.
Aus EP-B-0 525 325 ist ein Verfahren zum Herstellen von porö- sen, metallischen Sinterwerkstücken bekannt, bei dem zunächst ein Metallpulver in einer Trägerflüssigkeit suspendiert wird, die aus einem in einem Lösungsmittel aufgelösten Binder besteht und die so eingestellt ist, daß die Suspension gießfähig ist. Diese Suspension wird in eine Form gegossen. An- schließend wird das Lösungsmittel abgedampft, so daß durch den verbleibenden Binder das Metallpulver in der durch die Form vorgegebenen Geometrie verfestigt wird und einen handhabbaren Grünkörper bildet. Nach dem Trennen aus der Form wird der Grünkörper in üblicher Weise gesintert. Dieses vor- bekannte Verfahren ist vorzugsweise zur Herstellung von verhältnismäßig dickwandigen Sinterteilen vorgesehen, die sich aufgrund ihrer Geometrie besser durch einen Gießvorgang als im herkömmlichen Verfahren durch ein Pressen eines Metallpulvers in eine Form herstellen lassen. Dünnschichtige, offene, poröse Teile lassen sich mit diesem Verfahren nicht herstellen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das vorbekannte Verfahren so zu verbessern, daß auch dünne, poröse, und so- fern erforderlich, auch selbsttragende Metallschichten hergestellt werden können.
Diese Aufgabe wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß das Metallpulver mit einer vorgegebenen Größenverteilung der Pulverteilchen in einer Trägerflüssigkeit suspendiert wird, daß die Suspension in wenigstens einer dünnen Schicht auf einen Trägerkörper aufgebracht, getrocknet und die so gebildete Grünschicht gesintert wird, wobei die Schichtdicke der aufgetragenen Suspension mindestens der Dik- ke s der zu erzeugenden Metallschicht nach der Sinterung entspricht, wobei s mindesten dem 3-fachen Durchmesser D der Pulverteilchen entspricht, mit D = lμm bis 50μm, wobei die Schichtdicke der fertigen Metallschicht maximal 500 μm be- trägt. Hierbei wird mit Vorteil ausgenutzt, daß sich beim' Sintern die einzelnen Pulverteilchen zwar fest miteinander verbinden, jedoch zwischen den Pulverteilchen Freiräume verbleiben, die in bezug auf die Dicke der Metallschicht eine offene Porosität ergeben, so daß die Metallschicht für strömende Medien durchlässig wird. Die Größe der Porosität kann über die Teilchengröße des eingesetzten Metallpulvers beeinflußt werden, so daß sich sehr dünne poröse Metallschichten mit vorgebbarer Porengröße herstellen lassen. Da bei der Her- Stellung Inhomogenitäten und Hohlräume auftreten können, muß die Schichtdicke mindestens dem 3-fachen Durchmesser D der Pulverteilchen entsprechen. Durch das genannte Verhältnis zwischen der Schichtdicke s und dem Teilchendurchmesser D ist sichergestellt, daß immer mehrere "Lagen" von Pulverteilchen übereinander angeordnet sind und durchgehende "Löcher", die größer als die gewünschte Porosität sind, vermieden werden. Hierbei ist es besonders zweckmäßig, wenn die Schichtdicke ε dem 5- bis 15-fachen , vorzugsweise 10- bis 15-fachen des Durchmessers D der Pulverteilchen beträgt. "Durchgehende Lö- eher" können hierdurch vermieden werden.
Unter Durchmesser D ist jeweils der mittlere Teilchendurchmesser des eingesetzten Metallpulvers zu verstehen. Metallpulver im Sinne der Erfindung sind nicht nur Pulver aus rei- nen Metallen, sondern auch Pulver aus Metallegierungen und/oder Pulvermischungen aus unterschiedlichen Metallen und Metallegierungen zu verstehen. Dazu gehören insbesondere Stähle, vorzugsweise Chrom-Nickel-Stähle, Bronzen, Nickelbasislegierungen wie Hastalloy, Inconel oder dergleichen, wo- bei Pulvermischungen auch hochschmelzende Bestandteile enthalten können, wie beispielsweise Platin oder dergleichen. Das zu verwendende Metallpulver und seine Teilchengröße ist vom jeweiligen Einsatzzweck abhängig.
Die über die Trägerflüssigkeit einzustellende Konsistenz der Suspension richtet sich im wesentlichen danach, wie die Suspension auf den Trägerkörper aufgetragen wird. Bei einem Gießen, gegebenenfalls mit nachfolgendem Abstreichen eines Über- Schusses von der gegossenen Suspensionsschicht, kann die Suspension in einer etwas dickflüssigen Konsistenz eingestellt werden. Bei einem sogenannten Foliengießen oder einem Aufsprühen muß eine dünnflüssige Konsistenz vorgegeben werden. Um den Trägerkörper mit der aufgebrachten Grünschicht nach dem Trocknen handhaben zu können, ist es auch hier zweckmäßig, daß die Trägerflüssigkeit durch einen mit einem verdampfbaren Lösungsmittel verflüssigten Binder gebildet wird. Hier- durch ist sichergestellt, daß auch die Grünschicht infolge der Haftung der einzelnen Pulverteilchen untereinander über den Binder eine ausreichende Festigkeit aufweist.
In besonders zweckmäßiger Ausgestaltung ist es vorgesehen, daß die Suspension in mehreren dünnen Teilschichten nacheinander auf den Trägerkörper aufgebracht wird. Hierbei können die einzelnen Teilschichten jeweils aus einer identischen Suspension aufgebaut werden. Es ist in einer weiteren Ausge- staltung der Erfindung aber auch möglich, für die einzelnen
Teilschichten jeweils Suspensionen mit unterschiedlichen Größenverteilungen für das verwendete Metallpulver und/oder unterschiedlichen Metallpulvern zu verwenden. Dies erlaubt es beispielsweise, einerseits Metallpulver zu verwenden, die der fertiggesinterten Metallschicht eine besonders gute Porosität geben, andererseits ist es auch möglich, wenigstens eine Metallschicht herzustellen, die in ihrer Metallzusammensetzung für den Anwendungszweck besonders günstige Eigenschaften aufweist, beispielsweise katalytische Eigenschaften besitzt.
Zweckmäßig ist es, wenn die jeweils aufgebrachte Teilschicht vor dem Aufbringen der nächsten Teilschicht zumindest angetrocknet wird. Hierdurch ist sichergestellt, daß die zunächst aufgebrachte Teilschicht genügend verfestigt ist, so daß sie durch das Aufbringverfahren, beispielsweise durch ein Aufsprühen der nächsten Teilschicht, nicht deformiert wird. Andererseits ist durch den verbleibenden Lösungsmittelanteil in der zuvor aufgetragenen, angetrockneten Teilschicht sicherge- stellt, daß auch die nächstfolgende Teilschicht zuverlässig und mit gleicher Packungsdichte angebunden wird und die fertige Grünschicht die gewünschte Festigkeit aufweist.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die jeweilige Teilschicht vor dem Aufbringen der nächsten Teilschicht gesintert wird. Dieses Verfahren ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn bei einem mehrschichtigen Aufbau aus unterschiedliche Metallpulver eingesetzt werden, die stark divergierende Sintertemperaturen benötigen. Dadurch ist es möglich, daß zunächst die Teilschicht auf dem Trägerkörper aufgebracht wird, die das Metallpulver mit der höchsten Sintertemperatur enthält, und nach dem Sintern der ersten Metallschicht in entsprechender Reihenfolge die nächstfolgen- den Teilschichten mit den jeweils niedigeren Sintertemperaturen aufgebracht und gesintert werden können. Dies hat den Vorteil, daß durch die einzelnen Sinterschritte die gewünschte Porosität der einzelnen Teilschichten erhalten bleibt, die verloren ginge, wenn man die Suspension mit einer derartig heterogenen Pulvermischung in einer Schicht auftragen und in einem Schritt sintern würde. Hierbei würden aufgrund der notwendigen hohen Sintertemperaturen für nur einen Anteil im Pulvergemisch die übrigen, niedrig sinternden Pulveranteile dichtsintern, so daß die Porosität weitgehend verloren ginge.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Suspension als Schicht auf einen ebenen, biegsamen Trägerkörper aufgebracht und nach dem Trocknen als Grünschicht von dem Trägerkörper getrennt und gesondert zu einem membranartigen, porösen Fertigteil gesintert wird. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß zunächst eine verhältnismäßig großflächige Grünschicht hergestellt werden kann, aus der nach dem Trocknen durch Stanzen oder Schneiden Teilstücke von Folie und Grünschicht in der gewünschten Form- gebung hergestellt werden können. Bei diesen Teilstücken wird die Grünschicht von dem Trägerkörper abgezogen und anschließend als selbständiger Teil gesintert. Als Träger können hierbei Kunststoff oder Metallfolien verwendet werden. Der Trägerkörper wird vor dem Aufbringen der Suspension zweckmäßigerweise mit einem Trennmittel beschichtet.
In einer besonders vorteilhaften anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Suspension als Schicht auf einen hochtemperaturfesten, vorzugsweise ebenen Trägerkörper aufgebracht wird, auf diesem getrocknet, gesintert und anschließend als membranartiges, poröses, metallisches Fertigteil vom Trägerkörper abgenommen wird. Als Trägerkörper ver- wendet man ein Material, das beim Sintern keine Verbindung mit der auf dem Trägerkörper befindlichen Grünschicht eingeht, wie dies beispielsweise bei keramischen Materialien der Fall ist, bietet dieses Verfahren die Möglichkeit, membranartige metallische poröse Fertigteile industriell mit einem ge- ringen Anteil an Handarbeit bei weitgehender Automatisierung zu fertigen. Der besondere Vorteil liegt hierbei darin, daß die trockene, noch empfindliche Grünschicht zur Durchführung des Sinterverfahrens nicht vom Trägerkörper abgehoben und hierbei gehandhabt werden muß, sondern daß sie erst nach dem Sintern abgenommen wird. Hierdurch wird der Ausschuß reduziert und ferner die Möglichkeit gegeben, für die Trägerflüssigkeit zur Bildung der Suspension einen geringeren Binderanteil vorzusehen, da nur soviel Binder zuzufügen ist, um eine sichere Handhabung des Trägerkörpers nach dem Aufspritzen der Schicht bis zur Einführung in den Sinterofen zu gewährleisten.
Auch bei diesem Verfahren kann die Suspension durch Gießen oder Sprühen auf den Trägerkörper aufgebracht werden. Um ein Schneiden oder Stanzen der Grünschicht mit dem Trägerkörper oder der fertigen porösen Metallmembran zu vermeiden, ist es zweckmäßig, wenn in Ausgestaltung der Erfindung vor dem Aufbringen der Suspension auf den Trägerkörper eine Konturmaske aufgelegt wird. Hierdurch ist es möglich, die Suspension auf den Träger bereits in der vorgesehenen Endkontur aufzubringen, so daß ein nachfolgender Schneidvorgang entfällt. Ein weiterer Vorteil der Verwendung einer Konturmaske besteht darin, daß die insbesondere durch einen Sprühvorgang aufge- brachte Suspension auch in dem durch die Konturmaske begrenzten Randbereich die vorgegebene Schichtdicke aufweist. Es besteht sogar die Möglichkeit, durch einen entsprechenden zusätzlichen Sprühlauf, bei dem in einem Überlauf nur der Randbereich mit Suspension besprüht wird, der fertigen porösen Mebran im Randbereich eine etwas größere Dicke zu geben, so daß hier eine bessere Formsteifig- keit und ein genügendes Verformungsvolumen vorhanden ist, wenn beispielsweise eine derartige poröse Membran randseitig eingespannt werden soll.
Bei Anwendung des vorstehend erläuterten erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung derartiger gesinterter Metallschichten in Form einer dünnen, porösen Membran, die an die Stelle von Geweben oder Vliesen eingesetzt werden kann, hat es sich überraschend gezeigt, daß die fertiggesinterte Membran duktil, mechanisch stabil und innerhalb gewisser Grenzen auch elastisch ist, wobei hier der besondere Vorteil gegeben ist, daß eine derartige Membran mit einer mit engen Toleran- zen definierten Porosität und geringem Strömungswiderstand hergestellt werden kann, wobei die Porosität im wesentlichen durch die Vorgabe der Teilchengröße und der Strömungswiderstand durch die Dicke und die Teilchengröße der gesinterten Metallschicht bestimmt wird. Durch die Auswahl der einzu- setzenden Metalle, Metallegierungen und/oder der Metallpulvermischungen für das Metallpulver läßt sich praktisch jede Anforderung hinsichtlich mechanischer, thermischer und/oder chemischer Widerstandsfähigkeit erfüllen.
In vorteilhafter weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist ferner vorgesehen, daß die fertiggesinterte poröse Membran durch Walzen kalibriert wird. Durch diese Maßnahme läßt sich eine definierte Dicke einstellen und die Oberfläche glatten. Ferner läßt sich die Porengröße in der Metallschicht definiert verkleinern, da bei der geringen
Dicke nicht nur die Oberflächenbereiche, sondern die Metallschicht insgesamt "durchverfor t" wird. Damit ist aber auch die Möglichkeit gegeben, die Membran zunächst mit einer etwas 8
größeren Dicke und einem etwas gröberem und damit preisgünstigerem Metallpulver herzustellen und danach durch den Walzvorgang die Porengröße reproduzierbar zu verkleinern. Sofern der Trägerkörper zugleich auch Bestandteil des Fertig- teils ist und dementsprechend die Metallschicht fest mit diesem verbunden sein soll, ist in einer anderen Ausgestaltung vorgesehen, daß die Suspension auf wenigstens eine Fläche eines metallischen Trägerkörpers aufgebracht, getrocknet und die Grünschicht anschließend auf den Trägerkörper fest auf- gesintert wird. Der Trägerkörper kann hierbei seinerseits ein Sinterformteil, auch ein poröses Sinterformteil mit gröberer Porenstruktur sein. Die Suspension kann wiederum durch Dünnschichtgießen, Sprühen oder Tauchen auf die Oberfläche des Trägerkörpers aufgebracht werden. Die Metallschicht kann je nach Verwendungszweck auf der Außenwandung und/oder der Innenwandung aufgebracht werden.
Wird der metallische Trägerkörper durch einen rohrförmigen Trägerkörper gebildet, dann ist in Ausgestaltung des erfin- dungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, daß beim Auftragen der
Suspension und zumindest während eines Teils der Trockenzeit der Trägerkörper um die Rohrachse gedreht wird. Hierdurch ist gewährleistet, daß die Schichtdicke bis zur Verfestigung der Suspension als Grünschicht auf dem Trägerkörper erhalten bleibt. Hierbei ist es zweckmäßig, insbesondere beim Dünnschichtgießen und beim Sprühen, wenn der Suspensionsaustritt zusätzlich zur Rotation gegenüber der Oberfläche definiert bewegt wird.
Als Fertigteil hergestellte poröse Membranen oder auf einen porösen Trägerkörper aufgebrachte poröse Metallschichten eignen sich insbesondere zur Verwendung als Filter und bei entsprechender Einstellung der Porosität der Metallschicht auch als Mikrofilter. Bei undurchlässigen Trägerkörpern kann ein derartiges Bauteil bei entsprechender Zusammensetzung hinsichtlich der verwendeten Metallpulver und bei entsprechender Porosität auch als Katalysatoren eingesetzt werden. Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von schematischen Flußdiagrammen näher erläutert für den Einsatzfall der Herstellung dünner, poröser Metallschichten, die als eigenständiges Teil verwendbar sind. Es zeigen:
Fig. 1 einen Verfahrensablauf, bei dem das Teil durch einen Stanzschritt geformt wird,
Fig. 2 einen Verfahrensablauf, bei dem das Teil durch einen Spritzvorgang geformt und eigenständig gesintert wird,
Fig. 3 einen Verfahrensablauf, bei dem das Teil durch einen Spritzvorgang geformt und mit Hilfe eines Trägerkörpers gesintert wird.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Verfahren wird eine aus einem sinterfähigen Metallpulver und einer Trägerflüssigkeit gebildete Suspension mit Hilfe eines Sprüh- oder Gießkopfes 1 auf einen Trägerkörper 2 in Form eines größeren Folienabschnitts aus einer Kunststoffolie oder Metallfolie als dünne Schicht 3 aufgebracht wird. Der mit einer dünnen Suspensionsschicht 3 beschichtete Trägerkörper 2 wird hierbei durch einen größeren Folienabschnitt anschließend in eine Trocknungs- einrichtung 4 geführt, in der unter Wärmeeinwirkung die Trägerflüssigkeit, beispielsweise Ethanol oder Isopropanol abgedampft wird. Ein etwa in der Trägerflüssigkeit gelöster Binder verbleibt zur Erhöhung der Grünfestigkeit in der dünnen Schicht.
Der so getrocknete und nunmehr mit einer festen Grünschicht 3.1 versehene Folienabschnitt wird anschließend einer Stanzeinrichtung 5 zugeführt, in der mit Hilfe eines Stanzmessers 6 ein Teil 7 in der gewünschten Außenkontur zusammen mit dem als Trägerkörper 2 anhaftenden Folienteil ausgestanzt wird.
Zur Vereinfachung ist hier nur das Ausstanzen eines Teils 7 dargestellt. Es besteht hierbei jedoch die Möglichkeit, in einem oder in aufeinanderfolgenden Stanzschritten mehrere 10
Teile 7 aus dem mit der Grünschicht versehenen Folienab- ' schnitt auszustanzen.
In einem anschließenden Trennschritt 8 wird der mitausge- stanzte Teil 2.1 der Trägerfolie von der Grünschicht 3.1 abgezogen, die dann als Grünling 3.2 in einen Sinterofen 9 eingebracht und dort unter den für die jeweilige Pulverzusammensetzung vorzugebenden Bedingungen gesintert wird. Aus dem Sinterofen 9 kann dann das fertige Teil 3.3 in Form einer fe- sten, dünnen Metallschicht mit offener Porosität herausgenommen werden.
Bei dem Verfahren gemäß Fig. 2 wird auf einen biegsamen, im übrigen jedoch formstabilen Trägerkörper 2.2, beispielsweise aus einem Silikonkautschuk, eine Maske 10 aufgelegt, die mit einem Ausschnitt 11 versehen ist, der der gewünschten Endkontur des herzustellenden porösen Metallschichteils entspricht. Anschließend wird - wie anhand von Fig. 1 beschrieben - der mit einer entsprechenden Maske versehene Trägerkörper 2.2 mit Hilfe eines Sprüh- oder Gießkopfes 1 mit der Metallsuspension besprüht, so daß auf dem Trägerkörper 2.2 der durch den Ausschnitt 11 der Maske 10 begrenzte Bereich eine entsprechende, dünne Suspensionsschicht 3 aufgebracht ist. Auch hier kann bei entsprechender Flächengröße des Trägerkörpers 2.2 die Maske 10 mit einer entsprechenden Vielzahl von Ausschnitten 11 versehen sein.
In einem nächsten Schritt wird die Maske 10 abgenommen, so daß der Trägerkörper 2.2 mit der darauf verbleibenden, dünnen Suspensionsschicht 3 in den Trockenofen 4 eingeführt werden kann, in dem die Trägerflüssigkeit abgedampft wird.
In einem anschließenden Trennschritt 8 wird vom Trägerkörper 2.2 die Grünschicht 3 abgenommen, was hier schematisch durch ein Biegen des Trägerkörpers 2.2 am Rande einer Schneide 12 angedeutet ist, so daß anschließend der vereinzelte Grünling wiederum im Sinterofen 9 gesintert wird. Aus dem Sinterofen 9 kann dann das fertige Teil 3.3 in Form einer festen, dünnen LO LO t to l-1 P1 σi O Lπ o LΠ o LΠ
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Claims

13Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer dünnen Metallschicht mit offener Porosität aus einem sinterfähigen Metallpulver, da- durch gekennzeichnet, daß das Metallpulver mit einer vorgegebenen Größenverteilung der Pulverteilchen in einer Trägerflüssigkeit suspendiert wird, daß die Suspension in wenigstens einer dünnen Schicht auf einen Trägerkörper aufgebracht, getrocknet und die so gebildete Grünschicht gesin- tert wird, wobei die Schichtdicke der aufgetragenen Suspension mindestens der Dicke s der zu erzeugenden Metallschicht nach der Sinterung entspricht, wobei s mindestens dem 3- fachen Durchmesser D der Pulverteilchen entspricht, mit D = lμ bis 50μm, wobei die Schichtdicke der fertigen Metall- Schicht maximal 500μm beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerflüssigkeit durch einen mit einem verdampfbaren Lösungsmittel verflüssigten Binder gebildt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension in mehreren Teilschichten nacheinander auf den Trägerkörper aufgebracht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die einzelnen Teilschichten jeweils Suspensionen mit unterschiedlichen Größenverteilungen und/oder unterschiedlichen Metallen verwendet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Teilschicht vor dem Aufbringen der nächsten Teilschicht zumindest angetrocknet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch ge- kennzeichnet, daß die jeweilige Teilschicht vor dem Aufbringen der nächsten Teilschicht gesintert wird. 14
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension als Schicht auf einen ebenen, biegsamen Trägerkörper aufgebracht und nach dem Trocknen als Grünschicht von dem Trägerkörper getrennt und gesondert zu einem membranartigen porösen Fertigteil gesintert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension als Schicht auf einen hochtemperaturfesten, vorzugsweise ebenen, Trägerkörper auf- gebracht wird, auf diesem getrocknet und gesintert und anschließend als membranartiges, poröses, metallisches Fertigteil vom Trägerkörper abgenommen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge- kennzeichnet, daß auf den Trägerkörper vor dem Aufbringen der Suspension eine Konturmaske aufgelegt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension auf wenigstens eine der Wan- düngen eines rohrörmigen metallischen Trägerkörpers aufgebracht, getrocknet und die so gebildete Grünschicht anschließend auf den Trägerkörper fest aufgesintert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Trägerkörper beim Auftragen der Suspension und zumindest während eines Teils der Trocknungszeit um die Rohrachse gedreht wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Suspension durch Dünnschichtgießen,
Sprühen oder Tauchen auf den Trägerkörper aufgebracht wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß beim Auftragen der Suspension der Suspensi- onsaustritt relativ zum Trägerkörper bewegt wird. 15
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die fertig gesinterte poröse Membran durch Walzen kalibriert wird.
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