AT6727U1

AT6727U1 - Verfahren zur herstellung poröser sinterformkörper

Info

Publication number: AT6727U1
Application number: AT0004203U
Authority: AT
Inventors: Manfred Jaeckel
Original assignee: Plansee Ag
Priority date: 2003-01-30
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2004-03-25
Also published as: ATE404506T1; WO2004067476A1; DE502004007830D1; EP1587772B1; EP1587772A1; JP2006516678A; US20060118984A1

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung hochporöser Sinterformteile bedient sich des Aufschäumens thermoplastisch fließfähiger Formmassen im Temperaturbereich 80-130o C. Wesentliches Verfahrensmerkmal ist die Anwendung von bläh- und damit expandierfähigem Polystyrol als Treibmittel, sowie von darauf abgestimmten Binderkomponenten. Während des Aufschäumens werden in sich abgeschlossene, zellenartige Polystyrol-Schaumteilchen gebildet, was die Fertigung mechanisch fester Sinterformkörper mit bis zu 85 Vol.% Porenanteil bei großer Homogenität der Porendurchmesser erlaubt. Das Verfahren dient zur Fertigung offen- oder geschlossenporiger keramischer u/o metallischer Sinterformkörper.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG PORÖSER SINTERFORMKÖRPER
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines zellular porösen
Sinterformkörpers mit den Fertigungsschritten Aufbereiten einer thermoplastisch fliessfähigen Formmasse durch Mischen von Keramik- u/o Metallpulver mit
Binderkomponenten und Einarbeitung von organischen u/o anorganischen
Treibmitteln, Überführen der Formmasse in einen schmelzflüssigen Zustand und
Einbringen in eine Formgebungsvorrichtung, Aufschäumen der Formmasse mittels des Treibmittels, Verfestigen der geschäumten Formmasse, Ausbringen von Treibmitteln und organischen Komponenten und Sintem des derart behandelten Formkörpers.

Es ist bekannt, metallische u/o keramische Formkörper durch Pressen und Sintern geeigneter Ausgangspulver zu fertigen.

Fallweise ist dem Matrixpulver ein duktiler Binder beizugeben, beispielsweise ein duktiles Metallpulver bei der Hartmetallherstellung, um press- und sinterfähige Produkte zu erhalten.

Eine vergleichsweise junge Technologie zur Herstellung von keramischen u/o metallischen Sinterformkörpem ist das MIM (metal injection molding) Verfahren, bei dem die keramischen u/o metallischen Matrix - Pulverteilchen mit organischen

Binderkomponenten vermischt, die Mischung üblicherweise im thermoplastischen
Zustand in die gewünschte Form gebracht, der Formteil verfestigt und danach mittels
Pyrolyse u/o durch Lösen und Extrahieren von seinen organischen u/o anorganischen Binderanteilen befreit und schliesslich zum annähernd porenfrei dichten Formkörper gesintert wird. Die Formgebung erfolgt alternativ zum
Spritzgiessen beispielsweise mittels Extrudieren.

Während es üblicherweise das Ziel ist, Sinterformkörper in einen möglichst porenfreien Endzustand zu bringen, so sind auch Anwendungen von Sinterkörpem bekannt, bei denen eine bestimmte Porenstruktur benötigt wird.

Gezielte Porenstrukturen in Sinterkörpem werden beispielsweise durch Vermischen der Matrix-Ausgangspulver mit einem pulverförmigen Platzhalter geschaffen, wobei die Platzhalter-Teilchen üblicherweise vor oder während des Sinterprozesses aus dem in Form gebrachten Werkstoffverbund chemisch herausgelöst u/o mittels thermischer Zersetzung entfernt werden und an ihre Stelle Freiräume, bzw. Poren treten.

Es ist auch bekannt Porenstrukturen in Formkörpem mittels Einblasen von Gasen, z. B. Argon oder Stickstoffgas, in eine Metallschmelze zu erzeugen.

Alternativ werden Sinterkörper mit Porenstruktur hergestellt, indem Treibmittel als Zusatzstoffe möglichst homogen in einen mit Thermopfast - Binder versetzten Matrixwerkstoff eingebracht und dieser Verbund, bzw. diese Formmasse auf Verdampfungs- bzw. Aufschäumtemperatur des Treibmittels erwärmt wird. Dabei bilden sich blasenförmige Gasräume in der, bzw. Schaumgebilde aus der thermoplastischen bzw. schmelzflüssigen Formmasse, die sich bei der Abkühlung und Überführung der Formmasse in einen festen Zustand stabilisieren und danach ein Extrahieren der Gaseinschlüsse bzw. des restlichen Treibmittels unter

Zurücklassung von Poren erlauben. Parallel dazu werden die Binderzusätze extrahiert. Die gebrauchsfertige mechanische Stabilisierung des Formkörpers erfolgt mittels eines zusätzlichen Sinterschrittes.

Die erzielbare Qualität derart gefertigter, poröser Sinterformkörper, bedeutsam sind deren mechanische Stabilität, mechanische Bearbeitbarkeit, Homogenität der
Porenstruktur, Prozentsatz des erreichbaren Porenvolumens, hängt stark von der jeweils eingeschlagenen Prozessführung, von den Hilfsstoffen, Treibmittel und
Bindermittel, sowie von der Aufbereitung aller in eine Formmasse eingebrachten
Stoffe ab.

Die heute verfügbare grosse Auswahl an organischen und anorganischen Bindern für diese Zwecke ist stark von den Fortschritten in der MIM-Technologie geprägt.

Gleichermassen ist eine Vielzahl von unterschiedlichen, blähfähigen Stoffen als Treibmittel zur Schaffung von Porenstrukturen in aus Pulvern gefertigten
Formkörpem vorbeschrieben.

Allerdings haben einzelne spezifische Kombinationen von Matrixpulver, Bindermittel und Treibmittel in Verbindung mit der jeweiligen Prozessführung einen vielfach nicht vorhersehbaren, wechselseitigen Einfluss auf das Ergebnis bzw. auf die -Qualität derartiger poröser Formkörper.

So beschreibt das Patent US 5 213 612 ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Metallkörpers, gemäss dessen Ausführungsbeispielen eine wässrige Suspension aus Metallpulver und schäumfähigem Treibmittel innerhalb vorgegebener Volumenverhältnisse gemischt, geschäumt und durch Trocknen zum festen Formkörper gebracht werden. Beim anschliessenden Erhitzen des Formkörpers (Schaummittel mit darin verteiltem Metallpulver) auf eine erste Temperaturstufe von

600 - 1200 C kommt es in einer reduzierenden Atmosphäre zu einer
Schaummittelzersetzung bei gleichzeitiger teilchenübergreifender Diffusion und metallischen Bindung der Pulverteilchen. Abschliessend wird die Temperatur auf eine, dem jeweiligen Metall angepasste Sintertemperatur hochgefahren und das
Metallpulver unter Bildung eines porösen Körpers gesintert.

Als brauchbares
Schaummittel ist ein mit Isocyanat überdecktes Polyoxyäthylen Polyol angeführt, was die Verwendung eines zusätzlichen Bindermittels überflüssig macht. Gemäss einem
Ausführungsbeispiel wird unter 50 % Volumensausweitung geschäumt.

Ein Nachteil dieses Verfahrens ist die Verwendung von Wasser in Verbindung mit
Polyurethan oder Polyäthylen Bindern, was der so gebildeten Masse wenig thermoplastische Eigenschaften und damit ein Aufschäumen in nur sehr begrenztem
Volumenumfang erlaubt. Er kommt zu Schrumpfungen nach dem Aufschäumen. Der praktisch beherrschbare Porenanteil im gesinterten Körper liegt bei 10 - 20 Vol.%, was die Ausbildung von zellularen Porenstrukturen generell ausschliesst.

Die DE 177 15 20 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung keramischer Massen durch Giessen, mit Wabenstruktur im Masseninneren und mit glatter Oberfläche, bei dem Kunststoffe mit Perlenstruktur in den temperierten Giessschlicker eingerührt werden und der gegossene Formkörper sich unter Abkühlung verfestigt. Bevorzugter Kunststoff ist treibmittelhaltiges Polystyrol, das je nach gewünschter Pedengrösse vorgeschäumt wurde.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist eine nur unbefriedigende Steuerbarkeit der Perlenverteilung und-anordnung im Giessschlicker, was die Verwendung des Verfahrens bei auch nur mässigen Anforderungen an die mechanische Mindesttragfähigkeit der erkalteten Keramikmasse auf die Fertigung von

Formkörpern mit nur niedrigem Porenvolumen beschränkt. Das Verfahren sieht keine
Ausbringen der Polystyrol-Perlen aus der Masse vor.

Ein anderes Verfahren der eingangs genannten Art ist in der EP 0 765 704 beschrieben. Die wesentlichen Merkmale des Verfahrens liegen in der getrennten
Aufbereitung zweier verschiedener Stoffkomponenten für eine Formmasse, zum einen als eine das Schäum- bzw. Treibmittel in einer harzigen Binder enthaltenden, wässrigen Lösung und zum anderen, als ein Metallpulver und einen wasserlöslichen, harzigen Binder enthaltene Lösung, die beide unmittelbar vor dem geplanten
Schäumungsprozess zusammengebracht werden. Der Schäumungsschritt erfolgt in einer Atmosphäre mit mindestens 65 % Luftfeuchtigkeit. Der wasserlösliche
Harzbinder stabilisiert die beim Schäumen in der Masse entstandenen Poren während des Schäumens und beim anschliessenden Trocknen.

Der wasserlösliche
Harzbinder mit temperaturabhängiger Viskosität erlaubt eine geeignete Einstellung der Viskosität der Formmasse in Anpassung an die einzelnen Fertigungsschritte. Als Stoffbeispiele für einen derartigen wasserlöslichen Harzbinder werden explizit genannt, Methylzellulose, Hydroxypropylmethylzellulose, Hydroxyäthylzellulose, Karboxymethylzellulose, Ammonium, Äthylzelluslose und Polyvinylalkohol. Weiters werden verflüchtigbare Kohlenwasserstoffe mit 5 bis 8 Kohlenstoffatomen im Kohlenwasserstoff-Radikal als Mittel zur Bildung von Gasblasen bzw. Poren in -der Formmasse genannt, und zwar explizit Pentane, Hexane, Oktane, Benzene und Toloene. Die schäumbare Suspension kann zusätzlich organische Plastifizierungsmittel enthalten.

Eine Vielzahl von Ölen, Estern, Glyzerinen und anderen organischen Stoffen sind explizit aufgeführt. Die mögliche Zugabe spezifischer Mittel zur Stabilisierung des Schaumzustandes und der geformten Mikrozellen ist vorgesehen. Anders als bei der bisherigen Verwendung

handelsüblichen Polyurethans als Schaum- bzw. Treibmittel, soll sich nach diesem
Verfahren ein rissfreier und damit mechanisch stabiler, poröser Sinterkörper fertigen lassen. Die in den Beispielen näher ausgeführten Verfahrensschritte lassen die
Anfälligkeit des Verfahrens erkennen. Tatsächlich lassen sich nach diesem
Verfahren keine für die Mehrzahl der Anwendungsfälle ausreichend mechanisch stabilen, porösen Sinterkörper mit hohem Porenvolumenanteil erzielen.

Der dort verwendete Begriff Sinterkörper mit Wabenstruktur hat auf diesem Hintergrund allenfalls eingeschränkten Aussagewert.

Die EP 0 460 392 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung aufschäumbarer
Metallkörper mit den Fertigungsschritten, Mischen von Metallpulver und gasabspaltendem Treibmittelpulver zu einer Formmasse, Heisskompaktieren der
Formmasse unter Bedingungen, die ein Verbinden und mechanisches Verfestigen der Metallpulver über Diffusion ermöglichen, dabei das Treibmittel gasdicht einschliessen und gleichzeitig ein Zersetzen des Treibmittels verhindern. Des Weiteren wird die kompaktierte Formmasse in einem offenen Behälter oder in einer
Form auf eine so hohe Temperatur gebracht, dass das Matrixmetall schmilzt und sich das Treibmittel unter Aufschäumen der Schmelze zersetzt. In Abhängigkeit von der Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit, sowie der Aufschäumdauer bei Maximaltemperatur, werden Schaumkörper unterschiedlicher Porengrösse und -struktur erzielt.

Als Treibmittel werden Titanhydrid, Aluminiumhydroxid und Natriumbikarbonat genannt.

Nach diesem Verfahren lassen sich indes Metallschäume hohen und homogenen Porenvolumens nur unbefriedigend fertigen. Die zum Aufschäumen notwendige niedrige Formmassenviskosität bedingt eine Erhitzung auf die üblicherweise hohen Metallschmelztemperaturen, was viele Nachteile hat. Es kommt während des

Schäumvorganges zur unerwünschten Vereinigung einzelner Gasblasen mit der
Gefahr des Kollabierens der schäumenden Formmasse sowie zur Ausbildung von in ihrer Grössenverteilung unzureichend beherrschbarer Poren.

Die Aufgabe vorliegender Erfindung besteht somit in der Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zur Herstellung eines hochporösen metallischen u/o keramischen Sinterformkörpers mittels Aufschäumen einer Formmasse unter
Zuhilfenahme eines Treibmittels. Die Nachteile bekannter Verfahren, wie zeit- und kostenmässig aufwändige Prozessschritte, hohe Schäumtemperaturen, Schrumpfung des Formkörpers nach dem Aufschäumen und unzureichende Beeinflussbarkeit der gewünschten Porenstruktur, selbst bei nur mässig hohem Gesamt-Porenvolumina, sollen vermieden bzw. auf ein deutlich niedrigeres Mass gebracht werden.

Diese Aufgabe wird für das eingangs beschriebene Verfahren in erfinderischer Weise durch die in den Patentansprüchen genannten Verfahrensmerkmale gelöst.

Das Verfahren dient somit zur Herstellung hochporöser Sinterformkörper mit zellularer Porenstruktur, d. h. der Formkörper weist vergleichsweise dünne Zellwände auf, gemessen am Volumen der durch sie gebildeten Poren. Die fertigen Sinterformkörper besitzen ein tragfähiges Sinterskelett aus den Matrixwerkstoffen Metall u/o Keramik, frei von Zusätzen, oder nur noch mit unbedeutend kleinen Restanteilen an solchen, der Formmasse ursprünglich beigegebenen Zusätzen. Sie besitzen hohe mechanische Festigkeit. Die gesinterten Zellwände sind weitgehend frei von Mikroporosität, lassen sich auf Wunsch aber auch in mikroporöser Ausführung fertigen.

Die zellenartigen Poren weisen, je nach Anforderungen, einen weitgehend homogen einheitlichen mittleren Porendurchmesser zwischen vorzugsweise 0,1und 10 mm im

fertig gesinterten Körper auf, dies im Unterschied zu einer regelmässig mindestens um eine Zehnerpotenz kleineren Mikroporosität, wie sie von der Sintertechnologie her bekannt ist. Das Porenvolumen im Sinterkörper beträgt vorzugsweise
60 - 85 Vol.%. Solche hohen Porenvolumenanteile sind nur bei streng geometrisch gleichartiger, beispielsweise wabenartiger Anordnung der Poren im Sinterformkörper erreichbar.

Zur Ausbildung grossporig zellularer Strukturen wird als Polystyrol Treibmittel vorzugsweise handelsübliches EPS (expandierfähiges Poly-Styrol) verwendet, d.h. nichtgeschäumte Polystyrolperlen mit Teilchendurchmesser von vorzugsweise 0,1 bis 5 mm, die als Blähmittel die leichtflüchtigen Kohlenwasserstoffe Pentan oder
Hexan in einem Anteil von 1 bis 8 Gew. % enthalten.

Für eine gezielte Einflussnahme auf die Schäumcharakteristik können auch Copolymerisate des monomeren Styrol mit Anteilen an Acrylsäureestem oder Acrylnitril anstelle der reinen EPS Polystyrolperlen verwendet werden.

Vorwiegend von der MIM-Technologie ist eine Vielzahl von thermoplastischen Binderwerkstoffen und Kombinationen einzelner Binderkomponenten bekannt. Mittels einer dem Fachmann geläufigen Komponentenauswahl erreicht man eine breite Vielfalt von auf die jeweilige Anforderung anpassbaren Bindern. Für die bestimmungsgemässe Durchführung vorliegender Erfindung ist aber gerade die Gewährleistung einer geeignet niedrigen Schmelzviskosität der gesamten Formmasse bei der durch die Gasfreisetzung des Treibmittels vorgegebenen Aufschäumtemperatur von 80 bis 130 C von grosser Bedeutung.

Angelehnt an den Sprachgebrauch in der MIM-Technologie spricht man dann von einer erschmolzenen Formmasse für die Mischung aus vorzugsweise organischen

Binderkomponenten und Matrixpulver, wenn diese einen niedrigviskosen, breiigen Zustand besitzt.

Die geeignete Kombination aus erfindungsgemässem Treibmittel und darauf abgestimmten thermoplastischen Binderkomponenten erlaubt ein Aufschäumen der Formmasse bis zu vergleichsweise sehr hohen Porenvolumina, gemessen am bekannten Stand der Technik. Nach bevorzugten Ausführung des Verfahrens werden Sinterformkörper mit grösser 30 bis zu über 85 Vol.% zellbildenden Poren im gesinterten Formkörper gefertigt.

Die für das Aufschäumen ausreichende Plastizität der Formmasse ist noch bei deutlich über 50 % Volumenanteil an metallischem u/o keramischen Matrixpulver und entsprechend geringerem Binderanteil in der aufbereiteten, ungeschäumten Formmasse gegeben. Hohe Matrixpulver-Anteile begünstigen die nachfolgende Sinterung zum mechanisch festen Sinterformkörper wesentlich oder machen diese erst möglich. Bekannte, auf die Erzielung hoher Porenvolumina ausgerichtete Verfahren, liessen vergleichbar günstige Volumenanteile in der Praxis nicht zu.

Bekannte Verfahren verlangen vielmehr grosse Kompromisse, was die.gleichzeitige Sinterstabilität und hohes Porenvolumen im Sinterformkörper anbelangt.

Mechanisch feste Sinterformkörper mit stabilem Sinterskelett und hohem PorenVolumenanteilen sind gemäss Erfindung über die Verwendung von EPS als Treibmittel erreichbar, weil dieses im Unterschied zu Treibmitteln entsprechend dem bekannten Stand der Technik nicht allein zur Freisetzung von Gasen zwecks Gasblasen- und Porenbildung in der Formmasse, sondern vielmehr zur Ausbildung aufgeschäumter, mechanisch tragender, in sich geschlossener PolystyrolSchaumstoffkügelchen führt. Nur so lässt sich das bei bisherigen Verfahren gefürchtete Kollabieren aufgeschäumter Schmelzen ab einer bestimmten,

vergleichsweise geringen Porengrösse vermeiden. Es kommt beim vorliegenden
Verfahren weder zur Vereinigung einzelner kleiner zu einer grossen Gasblase, bzw.

Pore, noch zum Zusammenfallen aufgeschäumter Formmassen mangels ausreichender Thermopfastizität bei Überschreiten der Grenzoberflächenspannung zwischen Gasblase und Formmasse.

Mittels einer, dem Fachmann geläufigen Abstimmung der chemisch/physikalischen.

Eigenschaften der Binderkomponenten auf das erfindungsgemässe Treibmittel lässt sich als weiterer Vorteil des erfinderischen Verfahrens eine bisher nicht erreichte mechanische Porenstabilisierung in der aufgeschäumten Formmasse erreichen.

Üblicherweise werden in einem, dem Aufschäumen folgenden Schritt sowohl die
Binderkomponenten, als auch die aufgeblähten Polystyrol - Kügelchen über einen
Lösungsprozess in organischen Lösungsmitteln, wie Aceton oder Ethylacetat zum überwiegenden Anteil aus der Formmasse ausgebracht. Dabei geht die mechanische
Formstabilität verloren.

Das erfindungsgemässe Verfahren verwendet als anteilsmässig überwiegende Binderkomponente als solchen bereits bekannte hochpolymere Kunststoffe, wie z.B.

Polyamide, die in den für das Extrahieren üblichen, oben genannten Lösungsmitteln unlöslich ist.

Weitere verwendete Binderkomponenten sind Weichmacher, Tenside und Trennmittel, die in Aceton und Ethylacetat bei Temperaturen über 30 C ebenso gut löslich sind wie das Polystyrol. Diese, im Lösungsmittel löslichen Zusatzkomponenten können zu einer Mikroporosität der (noch ungesinterten) Zellwände führen und die Ausbringung von Lösungsmittel und darin gelösten Stoffen erleichtern. Es ist nun der beim Extraktionsprozess nicht aus der geschäumten Formmasse herauslösbare hochpolymere Kunststoff, der den metallischen u/o

Die Verfahrensschritte Formung der Formmasse und Aufschäumen lassen sich nach einer Reihe verschiedener, schon bisher praktizierter Verfahren durchführen.

Für die Fertigung geometrisch komplexer Formteile hat sich die Formgebung und
Aufschäumung der Formmasse mittels bekannter Spritzgiessverfahren besonders bewährt.

Einfach dimensionierte Formkörper, wie Platten, Ronden oder Kugeln, lassen sich durch Pressen einer pulverförmigen EPS-haltigen Formmasse zu Presslingen und nachträgliches Aufschäumen mit Dampf in einer durch Schlitze perforierten Form wirtschaftlich herstellen. Gemäss einer Verfahrensvariante lassen sich die Presslinge in einem nachfolgenden Pulver-Pressvorgang wahlweise mit einer nicht schäumbaren Oberflächenschicht kaschieren. Damit erlangt man Platten oder
Ronden mit porenfreier Aussenschicht.

Nach einer anderen wirtschaftlichen Schrittfolge gemäss Erfindung wird auf einem Granulierextruder das EPS bei Temperaturen unterhalb von 80 C in die Formmassenschmelze homogen eingearbeitet und es werden die an der Lochplatte des Extruders austretenden Massestränge mittels der sogenannten Unterwassergranulation abgeschlagen. Um keine vorzeitigen Gasverluste aus den EPS-Perlen hinnehmen zu müssen ist es zweckmässig, die Unterwassergranulation unter erhöhtem Mediendruck vorzunehmen. Derartige EPS-haltige Formmassengranulate lassen sich mit den in der Kunststoffverarbeitung üblichen Aggregaten problemlos zu geschäumten Formmassenkörpem weiter verarbeiten.

Nach einer ähnlichen Verfahrensvariante werden EPS-haltige Granulate direkt in eine dampfdurchlässige Form eingebracht und zeitgleich aufgeschäumt, wie dies in grossem Umfang mit vorgeschäumten EPS-Kugeln in der Verpackungsindustrie geschieht. Mittels dieses bevorzugten Verfahrens ist auch die Fertigung grossflächiger und grossvolumiger Formteile durchführbar.

Bei Einbeziehung des Extrudierens in das erfinderische Verfahren wird die
Formmasse in einer Schnecken- oder Kolbenpresse auf Schmelz- und zugleich Aufschäumtemperatur gebracht und unter hohem Druck von beispielsweise 106 bis
108 Pascal durch ein formgebendes Werkzeug gedrückt. Die aus dem Werkzeug austretende Schmelze vergrössert unter Aufschäumen ihr Volumen und wird in einer sogenannten Kalibrierung unter gleichzeitiger Kühlung in ihrer vergrösserten Gestalt zur Erstarrung gebracht und dergestalt stetig abgezogen.

Entsprechend einer Variante der Extrudier-Schrittfolge wird die Formmasse zur Verhinderung des Aufschäumens nach dem Austritt aus dem Extrudierwerkzeug unter hohem Druck abgekühlt. In einer anschliessenden Schrittfolge wird die geformte Masse erneut erwärmt, in einer der Volumenvergrösserung angepassten Form geschäumt, abgekühlt und entsprechend den Erfindungsmerkmalen weiterbehandelt.

Diese Verfahrensvariante dient vor allem der Fertigung von hochporösen, grossflächigen Sinterformteilen mit wahlweise offener oder geschlossener Zellstruktur.

Das erfindungswesentliche Verfahren ergibt, im Unterschied zu der bevorzugten Herstellung von Sinterformkörpern mit geschlossenen Poren, bzw. Zellen, immer dann offene Zellstrukturen, wenn entweder die Dehnbarkeit der Formmassenschmelze zu klein ist für die Geschwindigkeit und das Ausmass des

Aufschäumens - und diese kann man gezielt steuern, oder wenn der
Aufschäumprozess beispielsweise durch Vergrösserung des EPS-Anteils in der
Formmasse so beeinflusst wird, dass die zur Ausbildung und Beibehaltung geschlossener Zellen lokal bereitzustellende Formmassenmenge nicht ausreichend ist, so dass die sich weiter aufblähenden EPS-Kügelchen direkten Flächenkontakt zu ihren angrenzenden Nachbarn erhalten.

Hinsichtlich der Auswahl an für das erfindungsgemässe Verfahren geeigneten metallischen und keramischen Matrixwerkstoffen besteht nur in sofern eine
Einschränkung, als diese in Form sinterfähiger Pulver vorliegen müssen, eine
Forderung, deren Umsetzung zum Wissen des Pulvermetallurgen gehört.

Bevorzugte keramische Matrixwerkstoffe sind die Oxide des Aluminium, Silizium und Zirkonium, sowie Siliziumnitrid und Mischungen derselben.

Als metallische Matrixwerkstoffe haben sich Metalle und Legierungen aus der Gruppe Fe, Co, Ni, Cu, Ti, Ta, Mo, W und die Edelmetalle, sowie metallische Oxide, Hydride und Hartmetalle besonders bewährt.

Sinterformkörper, hergestellt nach dem erfindungsgemässen Verfahren, besitzen ein weites Anwendungsfeld. Schwerpunktmässig liegt die Anwendung im Bereich der Leichtbauteile und bei Teilen mit vergleichsweise geringer thermischer Leitfähigkeit, sowie im Fall offenporiger Sinterformteile im Bereich mechanischer Filter und Katalysatoren.

Die Erfindung wird durch nachfolgende Verfahrensbeispiele näher beschrieben.

Beispiel 1 beschreibt die Herstellung eines porösen Chromnickelstahl-Sinterformkörpers.

Wasserverdüstes Chromnickel-Pulver der Sorte 316 L (Fa. Pamco,Japan,
Teilchengrösse zu 90 % kleiner 15 um) wird in einem Knetaggregat mit
Binderkomponenten, zusammengesetzt aus Polyamid, Weichmacher, Netz- und
Trennmittel (der Binder), in einem Gewichtverhältnis, 93,5 Gew. % 316 L Pulver,
6,5 Gew. % Binder bei ca. 100 C intensiv gemischt und geknetet, bis eine niedrigviskose Schmelze vorliegt.

Diese Masse wird aus dem Knetaggregat ausgetragen , durch Abkühlen verfestigt und zu Pulver einer Teilchengrösse kleiner 0,3 mm vermahlen.

140 g dieses Pulvers werden mit 13 g EPS-Perlen (Styropor P 656 der Fa. BASF, Teilchengrösse 0,3 bis 0,4 mm)in einem Labormischer vermischt und bei
Raumtemperatur unter einem Pressdruck von 200 bar zu einem Pulverpressling der Abmessungen 60 x 90 x 7,2 mm3 verpresst.

Dieser Pressling wird in einen 20 mm hohen AI-Rahmen der Abmessung 70 x 100 mm2 eingebracht, seine Ober- und Unterfläche werden mit Filterpapier und feinem Siebgewebe und anschliessend mit jeweils 6 mm dicken AI-Platten abgedeckt, sodass eine geschlossene, druckfeste und doch dampfdurchlässig Form entsteht.

Die Dampfdurchlässigkeit wird durch Löcher in den Platten von 4 mm Durchmesser und 3 mm Abstand gewährleistet.

Die mit Pressling gefüllte Form wird 4 min lang in einem Dampfautoklaven mit unter 0,7 bar Dampfüberdruck stehenden, 120 C heissen Wasserdampf ausgesetzt. Nach dem Abkühlen des Autoklaven auf weniger als 100 C wird die Form entnommen und unter kaltem Wasser auf etwa 30 C abgekühlt. Der zum Formkörper der Abmessungen 70 x 100 x 20 mm3 aufgeblähte Pressling wird nach der Entnahme

aus der Form vom Filterpapier befreit und während 2 h bei 60 C getrocknet. Dabei verliert er 2,5 Gew.% an Feuchtigkeit.

Daraufhin wird der Formkörper während 24 h, auf einer gelochten Unterlagplatte ruhend, in 50 C warmem Ethylacetat als Lösungsmittel behandelt. Anschliessend wird der mit Lösungsmittel und darin gelösten Stoffen vollgesogene, bereits poröse
Formkörper dem Bad entnommen und mittels Vakuumdestillation von der Lösung befreit. Der verbleibende, noch ungesinterte Formkörper weist bei gegenüber dem geschäumten Formkörper unveränderter Aussenabmessung ein Gewicht von 137 g auf. Aus einem Vergleich mit dem eingewogenen Gewicht der Formmasse (140 g + 13 g = 153 g) ergibt sich ein Gewichtsverlust von 16 g, was, bezogen auf
17,2 g theoretisch extrahierbarer Stoff, einem Anteil von 93,0 % entspricht.

Als erste Stufe des abschliessenden Formkörper-Sinterns wird mittels Pyrolyse bei
500 C der noch nicht extrahierte Anteil an Polystyrol und Binderkomponenten, vor allem Polyamid in flüchtiger Form aus dem Formkörper entfernt. Mit dem weiteren
Sinterprozess während 60 min bei 1320 C wird ein Sinterformkörper der Abmessungen 61,5 x 88 x 17,3 mm3 und von 130 g Gewicht hergestellt.

Das entspricht einer Dichte von ca. 1,4 g/cm3 oder einem Porenvolumen von 82 %.

Der mittlere Durchmesser der weitgehend einheitlich grossen Poren, bzw. Zellen im Sinterformkörper beträgt ca. 0,60 mm.

Beispiel 2 beschreibt die Herstellung eines porösen AI203-Sinterformkörpers.

Dazu wird ein sinterfähiges Al2O3-Pulver von 3 m mittlerer Teilchengrösse und 99,80 % Reinheit (Sorte CT 3000 SG, Fa. ALCOA) in einem Knetaggregat mit Binderkomponenten (Polyamid, Weichmacher, Netz- und Trennmittel) bei 100 C intensiv gemischt und geknetet, bis eine niedrigviskose Schmelze vorliegt. Die

Gewichtsanteile betragen, 86,0 Gew.% CT 3000 SG und 14,0 Gew.%
Binderkomponenten.

Entsprechend Beispiel 1 wird die geknetete Masse aus dem Knetaggregat ausgetragen, abgekühlt und zu Pulver einer Teilchengrösse kleiner 0,3 mm vermahlen.

Daraufhin wird 65 g dieser Pulvermasse mit 25 g EPS-Perlen (Styropor P 656,
Fa. BASF, Teilchengrösse 0,3 bis 0,4 mm) in einem Labormischer vermischt und bei
Raumtemperatur unter 200 bar Pressdruck zu einem Pressling der Abmessung
60 x 90 x 12 mm3 verpresst.

Analog Beispiel 1 wird der Pressling zu einem geschäumten Pressling der Abmessungen 70 x 100 x 20 mm3 verarbeitet und anschliessend zur Extraktion löslicher Stoffe in Ethylacetat als Lösungsmittel gelagert.

Der nach der Vakuumdestillation vorliegende Formkörper ist 62 g schwer und weist die unveränderten Abmessungen 70 x 100 x 20 mm3 auf
Der Gewichtsverlust gegenüber der Einwage beträgt zu diesem Zeitpunkt 28 g, was einem Wert von 89 % der theoretisch extrahierbaren Stoffmenge von 31,5 g entspricht.

Nach der Pyrolyse der restlichen Anteile des Polystyrols und der Binderkomponenten bei 500 C in Luft und einer 60 minütigen Sinterung bei 1550 C weist der Sinterformkörper die Masse 60 x 86 x17 mm3 und ein Gewicht von 56 g auf.

Das entspricht einer Dichte von ca. 0,64 g/ cm3, bzw. einem Porenvolumen von 84 %.

Der mittlere Durchmesser der Makroporen beträgt 0,60 mm.

Der Sinterkörper ist mechanisch so stabil, bzw. bruchunempfindlich, dass er ohne einschränkende Vorsichtsmassnahmen bei nur geringem Beschädigungsrisiko manipulierbar und nutzbar ist.

Claims

Ansprüche 1. Verfahren zur Herstellung eines zellularen Sinterformkörpers mit den Fertigungsschritten Aufbereiten einer thermoplastisch fliessfähigen Formmasse durch Mischen von Keramik- u/o Metallpulver mit Binderkomponenten und Einarbeitung von organischen u/o anorganischen Treibmitteln, Überführen der Formmasse in einen schmelzflüssigen Zustand und Einbringen in eine Formgebungsvorrichtung, Aufschäumen der Formmasse mittels des Treibmittels, Verfestigen der geschäumten Formmasse, Ausbringen von Treibmitteln und organischen Komponenten und Sintem des derart behandelten Formkörpers, dadurch gekennzeichnet, dass als Treibmittel blähfähige Polystyrol - Teilchen verwendet werden und der Schritt des Aufschäumens in einer, Raum für eine Expansion der Formmasse belassenden Gehäuseform bei Temperaturen zwischen 80 und 130 C unter Bildung einzelner,

in der Formmasse eine jeweils geschlossene Raumform einnehmender Polystyrol Schaumteilchen mit enger Durchmesserverteilung erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass perlenförmige Polystyrol - Teilchen eines mittleren Durchmessers von 0,1 bis 5 mm und kleiner Durchmesser Streubreite verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kopolymerisat aus monomerem Styrol und Acrylsäureester oder Acrylnitril als Treibmittel verwendet wird. <Desc/Clms Page number 19>
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Polystyrol mit Pentan oder Hexan als blähfähiges Mittel verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibmittel als festes, nicht vorgeblähtes Granulat in die Mischung für die Formmasse eingearbeitet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Formmasse, von den blähfähigen Polystyrol-Teilchen räumlich getrennt, zusätzlich kleine Anteile an anderen thermisch instabilen, gasabspaltenden Stoffen zur Bildung von Mikroporen im Formkörper beigemischt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der formmasse zusätzlich zu den Polystyrol-Teilchen und von diesem räumlich getrennt, chemisch lösliche, oder mittels Pyrolyse verflüchtigende Platzhalterteilchen zur Bildung von Mikroporen im Formkörper beigegeben werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufschäumen ein Volumenanteil an zellbildenden Poren grösser 30 % und kleiner 85 %, bezogen auf das Volumen des gesinterten Formkörpers, gebildet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zellbildende Poren eines mittleren Durchmessers von 0,1-10 mm und 60 - 85 Vol. % Porenanteil, bezogen auf den Zustand im gesinterten Formkörper, erzeugt werden. <Desc/Clms Page number 20>
10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbringung von Treibmitteln und organischen Komponenten durch Lösen derselben in organischen Lösungsmitteln erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbringung des Treibmittels pyrolytisch erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Formgebungs- und Aufschäumprozess nach einem Extrudierverfahren erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver, ausgewählt aus der Gruppe Fe, Co, Ni, Cu, Ti, Ta, Mo, W u/o Edelmetalle als reines Metall, als Oxid, Nitrid u/o Hydrid in die Mischung für die Formmasse eingebracht wird.
14. Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver in Form einer Hartmetall Sorte in die Mischung für die Formmasse eingebracht wird.
15. Verfahren nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mischung verschiedener Binderkomponenten mit einem überwiegenden -Gewichtsanteil an Polyamid verwendet wird.