DE1205363B - Verfahren zum Herstellen poroeser Werkstuecke aus Metallfasern - Google Patents

Description

• Verfahren zum Herstellen poröser Werkstücke aus Metallfasem Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von gleichmäßig porösen Werkstücken aus Metallfasem jeder Faserlänge, -stärke und F aserrichtung, die sich durch geringes spezifisches Gewicht, einstellbare Porigkeit und gute Formbeständigkeit auszeichnen. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Werkstücke können als Grundkörper (Skelett) für Imprägnierung mit Kunststoffen, Keramikmassen, mineralischen und metallischen Stoffen verwendet werden. Ferner ist es infolge der erzielbaren, hohen Porigkeit möglich, die Metallfasem innerhalb des Werkstückes einer Diffasionsbehandlung mit gasförmigen oder flüssigen Stoffen zu unterziehen.
• Es ist bekannt, poröse Werkstücke aus Metallfasern herzustellen. Hierbei werden die Metallfasern in eine Form eingebracht, durch Aufgabe von Preßdruck miteinander verfestigt und vorgeformt; das vorgeformte Rohwerkstück wird dann auf Temperaturen von etwa 1000 bis 11201 C erhitzt und noch heiß in die endgültige Form gepreßt. Mit diesem Verfahren, etwa analog der aus der Pulvermetallurgie bekannten Arbeitsweise, ist jedoch eine gleichmäßige Dichte bzw. gleichmäßige oder einstellbare Porigkeit des Werkstückes nicht erreichbar. Es macht Schwierigkeiten, die Fasern gleichmäßig verteilt in die Preßform einzubringen. Kleinste Ungleichmäßigkeiten in der Verteilung wirken sich durch starke Dichteunterschiede im Preßling aus, so daß ein gleichmäßig poröses WerkstLick mit einstellbarer, reproduzierbarer Porigkeit sich auf diese bekannte Weise nicht herstellen läßt.
• Ferner ist zur Herstellung von hochporösem Werkstoff aus Metallfasern- ein Verfahren bekannt, bei dem Metallfasem in einer Flüssigkeit suspendiert werden, und die beim Ablassen der Flüssigkeit sich absetzende, verfilzte Masse, gegebenenfalls nachverdichtet, gesintert wird. Bei diesem Verfahren kann jedoch nur von vergleichsweise kurzen, bezüglich ihres Eigengewichtes leichten und daher dünnen Faserstückchen ausgegangen werden, da andernfalls über selbst kurze Zeit keine Suspension erhalten bleibt. Außerdem erfordert das Arbeiten mit Flüssigkeiten vergleichsweise aufwendige, technische Maßnahmen, was nachteilig ist.
• Es wurde gefunden, daß sich die bisherigen Nachteile vermeiden und ein gleichmäßig poröses Werkstück durch Pressen und Sintern von Metallfasern dann herstellen läßt, wenn man nur einen die Eigenelastizität der Metallfasormenge aufrechterhaltenden Preßdruck anwendet und das Sintern unter Begrenzung auf das durch diese Eigenelastizität- der Metallfasermenge eingenommene Volumen durchfährt.
• Die Fasern sollen möglichst gleichmäßig geschichtet in eine Form mit entsprechendem Volumen eingebracht werden. Dabei verwendet man vorzugsweise die Metallfasern, wie bekannt, in Form von gerichteten Einzelfasern, die gegebenenfalls in verschiedenen Winkeln zueinander ausgerichtet werden können. Der Raum der Form soll allseitig gleichmäßig ausgefüllt und die Metallfasern sollen in ihm gleichmäßig untergebracht sein. Das Volumen der Form wird so gewählt, daß durch ihre Begrenzung eine - Eigenspannung der Fasern entsteht, die sich unter dem* Einfluß der Sintertemperatur wieder abbaut. Bei relativ großen Volumina und zwecks Erzielung bestimmter Eigenschaften, beispielsweise Lagen mit verschiedenen Fäserrichtungen, teilweiser Verstärkung oder uriterschiedlicher Porigkeiten innerhalb eines Formkörpers, ist es zweckmäßig, die Fasern in mehreren Einzelschichten. in. die Form einzubringen.
• Grundsätzlich kann jede beliebige, runde oder eckige Form verwendet werden, in die die Fasern auch in beliebiger Richtung eingestapelt werden. Beispielsweise lassen sich die Faserstränge, auf entsprechende Längen geschnitten, in runde Formen radial einlegen, sie können aber auch als endloser Strang in Umfangsrichtung geordnet werden, oder man kann beide Anordnungen schichtweise gleichzeitig benutzen. Diese Ausführungsformen sind insbesondere für die Herstellung von Rund- oder Ringkörpern zweckmäßig. Das erfindungsgemäße, Herstellungsverfahren gestattet, in einem Werkstück Metallfasem in verschiedenen Faserstärken und./oder Faserbreiten anzuordnen.
• Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Faseragglomerat auch in der Weise erzielt werden, daß die Metallfasern unter einer Vorspannung in Form von praktisch endlos langen Fasersträngen auf einer Wickelvorrichtung zu einem Rundkörper aufgewickelt werden. Die Vorspannung kann so groß sein, daß sie bis an die Zugfestigkeit des Faserstranges herankommt. Die Dichte des Faseragglomerates kann durch Verwendung einer Anpreßrolle während des Wickelvorganges erhöht werden. Es entsteht infolge der Eigenhaftung der einzelnen Fasern des z. B. Stahlfaserstranges untereinander bereits vor dem Sintern ein formbeständiges Werkstück, das infolge der Verklammerung der Einzelfasern beim Aufwickeln formbeständig bleibt. Es wird dann von der Wickelvorrichtung abgenommen und besitzt eine so hohe Forrnbeständigkeit, daß anschließend mit oder ohne Form gesintert: werden kann.
• Bei den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Werkstücken läßt sich die Porigkeit des Werkstoffes durch Nachverdichten so weit verringern, daß ein elastischer und flexibler Werkstoff mit bis gegebenenfalls gegen Null verminderter Porigkeit ,entsteht.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Metallfasern gewickelt oder geschnitten, abgewogen und gleichmäßig verteilt in eine Sinterform eingelegt und bei einem vorgegebenen Volumen - gesintert. Würde, die Sinterung ohne Konstanthalten des vorgegebenen Volumens der Metallfasern durchgeführt, #o ergäbe sich, wie bei dem bekannten, vorstehend im zweiten Absatz erwähnten Verfahren, auf Grund des Eigengewichtes des Werkstoffes ein Dichtegefälle vom Boden der Form bis zu den obersten Schichtbereichen der Fasern-. Wird jedoch auf die mit Metallfasern gefällte Form ein Deckel aufgebracht und dieser in einer bestimmten Lage fixiert, so steht das gesamte Faservolumen innerhalb der Form unter einer gleichmäßigen Vorspannung, die sich infolge der Eigenspannung der Fasern gegeneinander ausbildet. Diese Eigenspannung bildet sich selbst bei Fasersträngen mit parallelen Fasern aus, da die durch Abspanen von Band oder Draht hergestellten, flachen Fasern stark aufgerissene Kanten. aufweisen, wodurch sich die Fasern ineinander verhaken und gegeneinander fixieren. Bei glatten, ebenso in eine Form eingelegten, parallelen Metalldrühten würde sich diese Vorspannung nicht ausbilden.
• Da ohne Aufgabe eines äußeren Druckes gesintert wird, kommen die Fasern untereinander nur an vergleichsweise wenigen Stellen miteinander in Berührung, so daß beim Sintern nur relativ wenige, verschweißte Punkte an den Fasern sich bilden. Dies hat zur Folge, daß die einzelnen Hohlräume innerhalb des gesinterten Werkstückes groß sind im Vergleich mit denjenigen von unter Druck gesintertem Werkstoff entsprechender Porigkeit. Es läßt sich beim erfindungsgemäßen Verfahren daher nicht nur die Porigkeit als solche, sondern darüber hinaus die durchschnittliche Größe der inneren Hohlräume variieren und reproduzierbar einstellen, indem die in ein bestimmtes Volumen einzubringenden Fasern nach Stärke, Breite, falls erforderlich auch Richtung, und Gesamtgewicht entsprechend den gewünschtenEigenschaften des herzustellenden Werkstückes aufeinander abgestimmt werden. Dabei wird bei gleichem Volumen und gleicher Faserstärke. bzw. -breite die Porigkeit um so geringer, je größer das eingebrachte Gesamtgewicht ist, wohingegen bei gleichem Volumen und gleichem eingebrachten Gesamtgewicht die Porigkeit um so größer wird, je stärker bzw. breiter die Fasern sind. Ferner ist bei gleichem Gesamtgewicht und gleichem Volumen die Anzahl der Verschweißungspunkte um so geringer, je stärker bzw. breiter die Fasern sind. Dies ist von Bedeutung bei der weiteren Behandlung der gesinterten Werkstücke durch Nachverdichten. Je weniger Verschweißungspunkte, der nachzuverdichtende Werkstoff hat, desto stärker wird seine Flexibilität bzw. Elastizität.
• Bei größeren Stapelhöhen läßt sich das Eigengewicht der Metallfasermenge durch Profilierung der inneren Formwände mit Rillen, vorstehenden Nocken u. dgl. beim erfindungsgemäßen Verfahren abfangen, wodurch die Anzahl der Verschweißungen- der Fasern miteinander reproduzierbar festgelegt werden kann und die Porenform und Porengröße sich gewünscht regulieren läßt. Die Nocken, Rillen verhindern ein Zusammensacken der Fasern beim Erreichen der Sintertemperatur infolge ihres Eigengewichtes. Bei Werkstücken mit großem Abstand zwischen den Seitenwänden der Sinterform ist es zweckmäßig, zwischen den Wänden dünne, mit Rillen oder Nocken versehene Zwischenstücke aus Keramik oder Graphit einzulegen.
• Eine weitere Möglichkeit für die Handhabung großer Stapelhöhen bzw. hoher Eigengewichte der Fasern besteht darin, daß man die Metallfasern so gerichtet in die Form einlegt, daß alle Fasern senkrecht zur Grundfläche der Form stehen. Unter diesen Umständen ist die Steifigkeit der Metallfasern in Faserlängsrichtung besonders groß. Diese Arbeitsweise wird sich dann empfehlen, wenn z. B. aus Stahlfasem, lange, zylindrische, poröse Werkstücke mit geringem Durchflußwiderstand für Gase oder Flüssigkeiten hergestellt werden sollen.
• Auch die, zu verwendenden Sinterformen bestehen vorzugsweise aus Graphit oder Keramik -und besitzen einen abnehmbaren- Deckel, der sich während des Sinterns unverrückbar befestigen läßt. Der Deckel kann nach innen hin plan ausgebildet sein, er kann aber auch eine beliebige, unebene Form besitzen, wodurch sich die Fasern je Volumeneinheit in dem herzustellenden Werkstück in gewünschter Weise unterschiedlich anordnen lassen. Diese Methode ge- stattet es, auf einfache Weise auch Formkörper mit unterschiedlichen Wandstärken herzustellen.
• Die Sintertemperatur richtet sich nach der Art des Metalls, aus dem -die Fasern hergestellt sind. Sie darf die Erweichungstemperatur des Metalls oder die Soliduslinie der Legierung nicht -überschreiten, da andernfalls das Metall zu weich wird bzw. die Fasern zu schmelzen beginnen und somit das vorgegebene Volumen der Form nicht mehr ausgefüllt wird. Das Gleichgewicht zwischen Fasersteifigkeit und Fasereigengewicht wird dadurchgestört, da nunmehr freier Raum zur Verfügung steht.
• Zur Erleichterung des Sinterns bzw. zwecks Verminderung der Sintertemperatur können den Metallfasern metallische Zuschläge beigegeben werden, z. B. Kupfer, Bronze u. a., -in Form eines überzuges oder in Form von Pulver. Aus den erfindungsgemäß hergestellten Werkstücken können Teile für folgende Verwendungszwecke hergestellt werden: 1. MetaRfaserkörper für Filter, Maschinenteile, zur Schalldämpfung und Wärmedämmung; 2. poröse Faser-Skelett-Körper, bei denen die Oberfläche der Metallfasern mit einem Überzug von Keramik, Metallen, Metallegierungen, Metallverbindungen und/oder Gemengen dieser Stoffe oder Mineralien versehen wird; 3. poröse Körper aus Metallfasern, bei denen der Porenraum mit Kunststoffen, Keramik, Metallen, Metallegierungen, Metallverbindungen und/ oder Gemengen dieser Stoffe oder Mineraline ausgefüllt wird; 4. poröse Körper aus Metallfasern, bei denen die Fasern anschließend veredelt werden mit korrosions- und/oder oxydationsbeständigen Legierungsbestandteilen für die unter 1 bis 3 aufgeführten Verwendungszwecke.
• Je nach dem gewählten Werkstoff, welcher fÜr einen. überzug der Metallfasern oder zum Ausfüllen der Poren verwendet wird, und entsprechend den geforderten Beanspruchungen kann es notwendig sein, das so behandelte Werkstück noch einer längeren Wärmebehandlung zu unterziehen. Diese richtet sich nach den Eigenschaften der verschiedenen Stoffe. Bei Kunststoffen liegt sie im allgemeinen zwischen 100 und 25011 C, bei keramischen Stoffen kann die erforderliche Temperatur bis zu 18001 C betragen.
• In vielen Fällen wird es auch notwendig sein, nach dem überziehen der Fasern bzw. Ausfüllen des Porenraumes zwecks Erhöhung der Dichte und zum Zwecke besonderer Formgebung die Werkstücke einer zusätzlichen Druckbehandlung zu unterziehen. Preßdrücke bis zu 5 t/cm2 haben sich als zweckmäßig erwiesen.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Herstellen poröser Werkstücke durch Pressen und Sintern von Metallfasern, gekennzeichnet durch die Anwendung eines die Eigenelastizität der Metallfasermenge aufrechterhaltenden Preßdruckes und Sintern unter Begrenzung auf das durch diese Eigenelastizität der Metallfasermenge eingenommene Volumen.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfasermenge, in Form von gerichteten Einzelfasern verwendet wird. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelfasern in, verschiedenen Winkeln zueinander ausgerichtet werden. 4. Verfahren zum Herstellen ringförmiger Werkstücke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfasern in Form von Fasersträngen unter Vorspannung aufgewickelt und die so erhaltenen Ringe gesintert werden. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 749 774, 908 501;# britische Patentschrift Nr. 556 059; deutsche Alt-Patentanm eldung B 200372 1 b/49 1; Metal Progress, März 1955, S. 81 bis 84; Materials and Methods, November 1955, S. 96 bis 98; Materials in Design Engineering, Dezember 1959, S. 104 bis 106.