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Dokumentenidentifikation DE60024666T2 24.08.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001231287
Titel Herstellungsverfahren für einen porösen Metallkörper
Anmelder Nakajima, Hideo, Takatsuki, Osaka, JP
Erfinder Nakajima, Hideo, Takatsuki-shi, Osaka, JP
Vertreter Müller-Boré & Partner, Patentanwälte, European Patent Attorneys, 81671 München
DE-Aktenzeichen 60024666
Vertragsstaaten AT, DE, FR, GB, IT, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 10.07.2000
EP-Aktenzeichen 009443524
WO-Anmeldetag 10.07.2000
PCT-Aktenzeichen PCT/JP00/04567
WO-Veröffentlichungsnummer 2001004367
WO-Veröffentlichungsdatum 18.01.2001
EP-Offenlegungsdatum 14.08.2002
EP date of grant 07.12.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.08.2006
IPC-Hauptklasse C22C 1/08(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines porösen Metallkörpers.

Es gibt bekannte poröse Metallkörper und Verfahren zu deren Herstellung. Beispielsweise offenbart die Beschreibung des US-Patents Nr. 5,181,549 ein Verfahren zum Herstellen eines porösen Metallkörpers durch Lösen von Wasserstoff oder eines Wasserstoffenthaltenden Gases in einem geschmolzenen Rohmetallmaterial unter Druckbeaufschlagung und dann Kühlen und Verfestigen des geschmolzenen Metalls unter den Bedingungen einer Steuerung der Temperatur und des Drucks.

Dieses Verfahren weist jedoch in der Praxis einige schwerwiegende Probleme auf. Beispielsweise muss (1) ein ultrareines Metall als Rohmaterial verwendet werden, um einen porösen Metallkörper mit hervorragenden Eigenschaften zu erhalten, (2) Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff oder andere Verunreinigungen, wenn diese in dem Rohmetallmaterial vorliegen, verbleiben in dem porösen Metallkörper und beeinträchtigen die Eigenschaften des resultierenden porösen Metallkörpers, was die Anwendungsgebiete des porösen Metallkörpers begrenzt, und (3) da Wasserstoff oder ein Wasserstoff-enthaltendes Gas als Gas verwendet wird, das in geschmolzenem Metall gelöst werden soll, sind die Metallarten, die verwendet werden sollen, auf diejenigen beschränkt, die einen porösen Metallkörper ergeben, der keiner Beeinträchtigung der Eigenschaften aufgrund einer Wasserstoffabsorption unterliegt.

Die Erfinder haben Forschungen im Hinblick auf die vorstehend genannten Probleme durchgeführt, die bei der Technologie zum Herstellen des porösen Metallkörpers des Standes der Technik auftreten, und als Ergebnis gefunden, dass ein poröser Metallkörper mit hoher Qualität schließlich durch Vermindern der Menge an Verunreinigungen, die in dem Metall enthalten sind, auf oder unter einen spezifischen Wert vor und während des Schmelzens des Rohmetallmaterials erhalten werden kann.

Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung die folgenden Verfahren zum Herstellen eines porösen Metallkörpers bereit.

  • 1. Ein Verfahren zum Herstellen eines porösen Metallkörpers, das die im Anspruch 1 angegebenen Schritte umfasst.
  • 2. Das Verfahren zum Herstellen eines porösen Metallkörpers gemäß dem vorstehenden Punkt 1, wobei das Metall aus der Gruppe, bestehend aus Eisen, Kupfer, Nickel, Kobalt, Magnesium, Aluminium, Titan, Chrom, Wolfram, Mangan, Molybdän, Beryllium und Legierungen, welche eines oder mehrere dieser Metalle umfassen, ausgewählt ist.
  • 3. Das Verfahren zum Herstellen eines porösen Metallkörpers gemäß dem vorstehenden Punkt 1, wobei der in Schritt (2) angelegte bzw. ausgeübte Druck zwischen 0,2 und 2,5 MPa liegt.
  • 4. Das Verfahren zum Herstellen eines porösen Metallkörpers gemäß dem vorstehenden Punkt 1, wobei das Kühlen und Verfestigen des geschmolzenen Metalls in Schritt (3) durch ein kontinuierliches Gussverfahren durchgeführt wird.

1 ist ein Fließdiagramm, das einen allgemeinen Überblick über die Schritte zum Herstellen des porösen Metallkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

2 ist ein Phasendiagramm, das die Phasenänderung in einem Eisen-Stickstoff-System zeigt.

3 ist ein Konzeptdiagramm, das die Gaslösungseigenschaften der festen und flüssigen Phasen in dem Schritt des Kühlens und Verfestigens des geschmolzenen Metalls, in dem Gas gelöst worden ist, zeigt.

4 ist ein Graph, der detailliert die Menge an Stickstoff zeigt, die in reinem Eisen (99,99 %) über und unter dem Schmelzpunkt des reinen Eisens gelöst ist.

5 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Stickstoff/Argon-Partialdruckverhältnis und der Porosität in porösen Eisenmaterialien zeigt, die erhalten werden, wenn reines Eisen (99,99 %) geschmolzen und unter Druckbeaufschlagung mit einem Stickstoff-Argon-Mischgas mit unterschiedlichen Partialdrücken gegossen wird.

6 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Stickstoff-Partialdruck und der Porosität in porösen Eisenmaterialien zeigt, die erhalten werden, wenn reines Eisen (99,99 %) geschmolzen und unter Druckbeaufschlagung mit einem Stickstoff-Argon-Mischgas mit unterschiedlichen Partialdrücken bei einem konstanten Gesamtdruck von 2,1 MPa gegossen wird.

7 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Stickstoff-Partialdruck und dem Stickstoffgehalt in porösen Eisenmaterialien zeigt, die erhalten werden, wenn reines Eisen (99,99 %) geschmolzen und unter Druckbeaufschlagung mit einem Stickstoff-Argon-Mischgas mit unterschiedlichen Partialdrücken bei einem konstanten Gesamtdruck von 2,1 MPa gegossen wird.

8 ist ein Querschnitt, der die Vorrichtung zum Herstellen des porösen Metallkörpers zeigt, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

9 ist eine Figur, die eine Gussform zeigt, die am Boden mit einem Kühlmechanismus ausgestattet ist.

10 ist eine Figur, die eine zylindrische Gussform zeigt, die auf deren Innenoberfläche mit einem Kühlmechanismus ausgestattet ist.

11 ist ein Querschnitt, der die Vorrichtung zum Herstellen eines porösen Metallkörpers durch ein kontinuierliches Gussverfahren zeigt, die in der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.

12 ist eine Figur, die eine Vorrichtung zum Herstellen eines stab- oder plattenförmigen porösen Metallmaterials durch ein kontinuierliches Gussverfahren zeigt.

13 ist ein Querschnitt, der eine Vorrichtung zum Herstellen eines stab- oder plattenförmigen porösen Metallmaterials durch ein kontinuierliches Gussverfahren zeigt.

14(a) bis (h) sind partiell aufgeschnittene, schräge Ansichten poröser Metallmaterialien in verschiedenen Formen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden können.

15 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Partialgasdruckverhältnis und der Porosität für vier verschiedene poröse Kupfermaterialien zeigt, die durch Schmelzen bei 1250°C unter Druckbeaufschlagung von 0,8 MPa mit einem Wasserstoff-Argon-Mischgas erhalten worden sind.

16 zeigt elektronisch verarbeitete Bilder (entsprechend optischen Mikrographien), die den Porenverteilungszustand von vier verschiedenen porösen Kupfermaterialien zeigen, die durch Schmelzen bei 1250°C unter Druckbeaufschlagung von 0,8 MPa mit einem Wasserstoff-Argon-Mischgas erhalten worden sind.

17 ist ein elektronisch verarbeitetes Bild (entsprechend einer optischen Mikrographie mit 12,5-facher Vergrößerung), das einen vertikalen Querschnitt eines zylindrischen porösen Kupfermaterials mit einer Form, die derjenigen von 14(c) entspricht, veranschaulicht.

18 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Partialgasdruckverhältnis und der Porosität von porösen Eisenmaterialien zeigt, die durch Schmelzen bei 1650°C unter Druckbeaufschlagung von 1,5 MPa oder 2,0 MPa mit einem Stickstoff-Helium-Mischgas erhalten worden sind.

19 zeigt elektronisch verarbeitete Bilder (entsprechend optischen Mikrographien), die den Porenverteilungszustand von vier verschiedenen, porösen gewöhnlichen Stahlmaterialien zeigen, die durch Schmelzen bei 1650°C unter Druckbeaufschlagung mit vier verschiedenen Stickstoff-Helium-Mischgasen mit verschiedenen Partialgasdruckverhältnissen erhalten worden sind.

20 ist ein elektronisch verarbeitetes Bild (entsprechend einer optischen Mikrographie), das den Porenverteilungszustand eines porösen Nickelmaterials (Porosität: 17 %) veranschaulicht, das durch Schmelzen bei 1600°C unter Druckbeaufschlagung von 0,8 MPa mit einem Stickstoff-Helium-Mischgas erhalten worden ist.

21 ist ein elektronisch verarbeitetes Bild (entsprechend einer optischen Mikrographie), das ein zylindrisches poröses Kupfermaterial veranschaulicht, das durch Schmelzen bei 1250°C unter Druckbeaufschlagung von 0,9 MPa mit einem Wasserstoff-Argon-Mischgas erhalten worden ist.

22 ist ein elektronisch verarbeitetes Bild (entsprechend einer optischen Mikrographie), das einen Querschnitt der Porenform in der Dickenrichtung des zylindrischen porösen Kupfermaterials zeigt, das in der 21 gezeigt ist.

23 ist ein elektronisch verarbeitetes Bild (entsprechend einer optischen Mikrographie), das den Oberflächenzustand des zylindrischen porösen Kupfermaterials zeigt, das in der 21 gezeigt ist.

24 ist ein elektronisch verarbeitetes Bild (entsprechend einer optischen Mikrographie), das ein zylindrisches poröses Kupfermaterial zeigt, das durch Schmelzen bei 1250°C unter Druckbeaufschlagung von 0,5 MPa mit einem Wasserstoff-Argon-Mischgas erhalten worden ist.

25 ist ein elektronisch verarbeitetes Querschnittsbild (entsprechend einer optischen Mikrographie), das die Porenform in der Dickenrichtung des zylindrischen porösen Kupfermaterials zeigt, das in der 24 gezeigt ist.

26 ist ein elektronisch verarbeitetes Bild (entsprechend einer optischen Mikrographie), das den Oberflächenzustand des zylindrischen porösen Kupfermaterials zeigt, das in der 24 gezeigt ist.

27 ist ein elektronisch verarbeitetes Bild (entsprechend einer optischen Mikrographie), das einen schräg verlaufenden Querschnitt eines porösen Kupferzylinders (Durchmesser etwa 100 mm) zeigt, der durch Schmelzen bei 1250°C unter Druckbeaufschlagung von 0,8 MPa mit einem Wasserstoff-Argon-Mischgas erhalten worden ist.

In der vorliegenden Erfindung wird gemäß der 1 zuerst das Material, das als Rohmaterial zum Herstellen eines porösen Körpers verwendet wird, in ein Gefäß mit einer verschlossenen Konstruktion eingebracht und das Rohmetallmaterial wird innerhalb eines Temperaturbereichs von Normaltemperatur bis zu einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Metalls unter reduziertem Druck gehalten, um dadurch das Metallmaterial zu entgasen (Schritt (1)).

Als nächstes wird das entgaste Metallmaterial unter Druckbeaufschlagung mit einem gegebenen Gas erhitzt, um das Metallmaterial zu schmelzen und das Gas in dem geschmolzenen Metall zu lösen (Schritt (2)).

Dann wird, während der Druck des Gases und die Temperatur des geschmolzenen Metalls in dem verschlossenen Gefäß gemäß der Art des zur Druckbeaufschlagung verwendeten Gases und der Art des Rohmetallmaterials gesteuert werden, das geschmolzene Metall gekühlt und verfestigt, um dadurch einen gewünschten porösen Metallkörper zu bilden (Schritt (3)).

Als Rohmetallmaterialien sind Eisen, Kupfer, Nickel, Kobalt, Magnesium, Aluminium, Titan, Chrom, Wolfram, Mangan, Molybdän, Beryllium und eine Legierung, welche eines oder mehrere dieser Metalle umfasst, verwendbar.

Das Entgasen kann durch Einbringen eines Rohmetallmaterials, das aus einer geeigneten Kombination von zwei oder mehr Arten von Einfachsubstanz-Metallen zusammengesetzt ist, in das verschlossene Gefäß durchgeführt werden. Alternativ kann als Rohmetallmaterial gleichzeitig mindestens ein Einfachsubstanz-Metall und mindestens eine Legierung verwendet werden, oder es können gleichzeitig zwei oder mehr Legierungen verwendet werden. In diesen Fällen wird in dem Schmelzschritt eine Legierung gebildet, was nachstehend diskutiert wird, und schließlich wird das poröse Legierungsmaterial erhalten.

Wie stark der Druck in dem Schritt (1) reduziert wird, hängt von der Art des Rohmetallmaterials und von den Verunreinigungskomponenten (wie z.B. Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff) ab, die in dem Rohmetallmaterial enthalten sind und entfernt werden sollen, jedoch liegt der Druck innerhalb eines Bereichs von 10–1 bis 10–6 Torr. Wenn die Druckreduktion unzureichend ist, können die restlichen Verunreinigungskomponenten die Korrosionsbeständigkeit, die chemische Beständigkeit, die Zähigkeit, usw., des porösen Metallkörpers beeinträchtigen. Andererseits verbessert ein übermäßig reduzierter Druck die Leistung des resultierenden porösen Metallkörpers geringfügig, erhöht jedoch die Kosten der Herstellung und des Betriebs der Vorrichtung und ist somit nicht erwünscht.

Der Temperaturbereich, in dem das Rohmetallmaterial im Schritt (1) gehalten wird, ist 50 bis 200°C niedriger als der Schmelzpunkt des Rohmetallmaterials (wenn zwei oder mehr verschiedene Metalle zusammen verwendet werden, niedriger als der niedrigste Schmelzpunkt). Der Betrieb ist einfacher, wenn das Entgasen durch Einbringen des Rohmetallmaterials in das verschlossene Gefäß bei Normaltemperatur und dann allmähliches Erhöhen der Temperatur durchgeführt wird. Um den Entgasungseffekt zu verstärken, ist es bevorzugt, das Rohmetallmaterial vor dem Beginn des Schritts (2) bei einer möglichst hohen Temperatur zu erhitzen, die jedoch noch unter dem Schmelzpunkt des Rohmetallmaterials liegt. Wenn das Rohmetallmaterial im Schritt (1) bei einer höheren Temperatur gehalten wird, ist die Zeit, die zum Schmelzen des Metalls erforderlich ist, was nachstehend diskutiert wird, kürzer.

Der Zeitraum, während dem das Metall in dem Schritt (1) gehalten wird, kann abhängig von der Art und der Menge der in dem Metall enthaltenen Verunreinigungen, dem Ausmaß des erforderlichen Entgasens und dergleichen zweckmäßig festgelegt werden.

Das entgaste Rohmetallmaterial wird dann im Schritt (2) unter Druckbeaufschlagung geschmolzen. Als Druckbeaufschlagungsgas wird eines oder mehrere von Wasserstoff, Stickstoff, Argon und Helium verwendet.

Wenn die Sicherheit besonders wichtig ist, ist es bevorzugt, mindestens eines von Stickstoff, Argon und Helium als Druckbeaufschlagungsgas zu verwenden. Es ist auch bevorzugt, ein Stickstoff-Argon-Gemisch, ein Stickstoff-Helium-Gemisch oder ein Stickstoff-Argon-Helium-Gemisch zu verwenden, um die Porosität und die Porengröße innerhalb des porösen Metallkörpers genauer zu steuern.

In diesem Schritt (2) wird unter Druckbeaufschlagung ein Teil des Gases in dem geschmolzenen Metall gelöst. Wie es in dem in der 2 gezeigten Metall-Gassystem-Phasendiagramm gezeigt ist, ist es bevorzugt, dass die Menge eines Gases, das in dem geschmolzenen Metall gelöst ist, innerhalb eines bestimmten Bereichs fällt, der eine Bildungsmenge an dem eutektischen Punkt C3 unter den gegebenen Druckbeaufschlagungsbedingungen umfasst. Die Menge des Gases, das in dem geschmolzenen Metall gelöst ist, wird durch Berücksichtigung von Faktoren wie z.B. der Art des Metalls, der Art des Gases, des Gasdrucks und der gewünschten Porenstruktur des porösen Metallkörpers festgelegt.

Die Druckbeaufschlagungsbedingung im Schritt (2) wird gemäß der Art des Metalls und der Porenform und des Porendurchmessers, der Porosität, usw., des porösen Metallkörpers festgelegt, der schließlich erhalten wird, beträgt jedoch 0,1 bis 10 MPa, mehr bevorzugt 0,2 bis 2,5 MPa.

Aus der Gruppe der vorstehend genannten Gase kann jedwedes Druckbeaufschlagungsgas ausgewählt werden, so lange es die Eigenschaften des porösen Metallkörpers, der schließlich erhalten wird, nicht beeinträchtigt. Es gibt jedoch bevorzugte Kombinationen von Metall und Gas. Beispiele für solche bevorzugten Kombinationen umfassen Eisen-Stickstoff/Argon („Stickstoff/Argon" bedeutet ein Mischgas aus Stickstoff und Argon, das Gleiche gilt nachstehend), Eisen-Stickstoff/Helium, eine Eisenlegierung (technisch reines Eisen, gewöhnlicher Stahl, Edelstahl, usw.)-Stickstoff/Argon, eine Eisenlegierung (gewöhnlicher Stahl, Edelstahl, usw.)-Stickstoff/Helium, Kupfer-Argon, Kupfer-Wasserstoff, Kupfer-Wasserstoff/Argon und Nickel-Stickstoff/Argon.

Das geschmolzene Metall, in dem das Gas gelöst worden ist, wird dann zu dem Schritt (3) überführt, wo es gekühlt und verfestigt wird. Wie es schematisch in der 3 gezeigt ist, unterscheidet sich die Menge des Gases, das in dem Metall gelöst ist, über und unter dem Schmelzpunkt dramatisch. Insbesondere löst sich eine große Gasmenge in Metall in einem geschmolzenen Zustand, jedoch findet bei fallender Temperatur und bei dem Beginn der Verfestigung des Metalls eine starke Verminderung der Menge an gelöstem Gas statt. Daher können durch Verfestigen des geschmolzenen Metalls in einer bestimmten Richtung, während die Temperatur des geschmolzenen Metalls und der Druck der Gasatmosphäre zweckmäßig gesteuert werden, aufgrund der Abscheidung des Gases, das in dem Flüssigphasenabschnitt bis zur Übersättigung gelöst worden ist, in dem Festphasenabschnitt in der Nähe der Festphase/Flüssigphase-Grenzfläche Blasen erzeugt werden. Da diese Gasblasen bei der Verfestigung des Metalls wachsen, werden in dem Festphasenabschnitt zahlreiche Poren gebildet. In diesem Schritt (3) wird, wie es nachstehend detaillierter diskutiert wird, ein poröser Metallkörper, bei dem die Porenform, der Porendurchmesser, die Porosität, usw., in der gewünschten Weise gesteuert werden, durch Steuern der Kühlungsgeschwindigkeit oder der Verfestigungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalls und durch geeignetes Einstellen der Zusammensetzung der Verfestigungsgasatmosphäre (das Mischungsverhältnis von Stickstoffgas/Inertgas) und des Gasdrucks (Erhöhen des Drucks, Aufrechterhalten des Drucks oder Vermindern des Drucks) erhalten.

Die 4 ist ein Graph, der detailliert die Änderung der Menge an gelöstem Stickstoff (die linke vertikale Achse zeigt die Konzentration in der flüssigen Phase und die rechte vertikale Achse zeigt die Konzentration in der festen Phase) in reinem Eisen (99,99 %), das unter Druckbeaufschlagung von 2,3 MPa mit einem Stickstoff/Argon-Mischgas gehalten worden ist, zeigt.

Wie es aus der 4 ersichtlich ist, variiert die Stickstofflöslichkeit in flüssigem Eisen und festem Eisen bei dem Übergang von der Schmelze zu einer Verfestigung von reinem Eisen stark und unregelmäßig. Selbst in verfestigtem Eisen findet eine aufeinander folgende allotrope Umwandlung von einer &dgr;-Phase über eine &ggr;-Phase zu einer &agr;-Phase statt und die Menge an gelöstem Stickstoff variiert mit fallender Temperatur. Dieser Unterschied bei der Stickstofflöslichkeit kann zur Bildung von Poren in festem Eisen mittels des Stickstoffgases genutzt werden, das sich in der &ggr;-Phase abscheidet. Dieses Phänomen findet auch in der gleichen Weise statt, wenn ein Stickstoff-Inertgas-Gemisch, ein Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch, ein Wasserstoff Inertgas-Gemisch, ein Wasserstoff-Stickstoff-Inertgas-Gemisch oder dergleichen anstelle von Stickstoff als Druckbeaufschlagungsgas verwendet wird, so dass ein entsprechendes poröses Eisenmaterial erhalten werden kann. Ferner findet ein ähnliches Phänomen statt, wenn eine Eisenlegierung, wie z.B. Stahl, Kupfer oder eine Legierung davon, Nickel oder eine Legierung davon oder jedwedes der vorstehend angegebenen verschiedenen Metalle oder eine Legierung davon als Metallart verwendet wird, so dass mit dem gleichen Verfahren poröse Körper verschiedener Metalle hergestellt werden können.

Im Allgemeinen liegt bei der Herstellung eines porösen Metallkörpers bei einem konstanten Druck auch zwischen der Gasatomkonzentration in einem Metall-Gas-System und dem Zustand der Porenbildung (Porenverteilung, Porengröße, usw.) eine bestimmte Korrelation vor. Hier wird davon ausgegangen, dass das Metall mit darin gelöstem Gas (Metall-Gas-System) in einer zylindrischen Gussform von der Umfangsoberflächenrichtung her abgekühlt wird, und dass ein Querschnitt des so erhaltenen zylindrischen Metallkörpers untersucht wird. Wenn das Kühlen richtig durchgeführt wird, werden ungeachtet davon, wo sich der Querschnitt befindet, im Wesentlichen die gleichen Ergebnisse erhalten.

Als erstes wird gemäß der 2 dann, wenn die Gasatomkonzentration C1 beträchtlich geringer ist als die eutektische Zusammensetzung C3, im Verlauf des Kühlens von einer Temperatur T1 auf TE ein nicht-poröser Metallfestphasenabschnitt in einer bestimmten Dicke von der Innenfläche der Gussform in Richtung der Mitte gebildet, und dann wird im Verlauf des Kühlens von der Temperatur TE auf eine niedrigere Temperatur eine poröse Metallphase in dem Mittelbereich gebildet (vgl. den Querschnitt C1).

Wenn die Gasatomkonzentration C2 zwischen der eutektischen Zusammensetzung C3 und C1 liegt, wird im Verlauf des Kühlens von einer Temperatur T2 auf TE ein nicht-poröser Metallfestphasenabschnitt in einer geringeren Breite von der Innenfläche der Gussform in Richtung der Mitte gebildet, und dann wird im Verlauf des Kühlens von der Temperatur TE auf eine niedrigere Temperatur eine poröse Metallphase in einem breiteren Mittelbereich gebildet (vgl. den Querschnitt C2).

Wenn das Metall-Gas-System die eutektische Zusammensetzung C3 aufweist, beginnt sich das Metall bei der Temperatur TE zu verfestigen und gleichzeitig werden Poren gebildet, so dass ein nicht-poröser Metallfestphasenabschnitt gebildet wird. Die Porengröße ist relativ einheitlich (vgl. den Querschnitt C3).

Wenn die Gasatomkonzentration C4 höher ist als eine eutektische Zusammensetzung C3, werden im Verlauf des Kühlens von einer Temperatur T4 auf TE in der flüssigen Phase große Poren gebildet und das Metall beginnt sich bei der Temperatur TE zu verfestigen. Im Verlauf des Kühlens von der Temperatur TE auf eine niedrigere Temperatur werden kleinere Poren gebildet. Daher wird in diesem Fall eine poröse Metallphase gebildet, die Poren mit unterschiedlichen Größen umfasst, und es wird kein nicht-poröser Metallfestphasenabschnitt gebildet (vgl. den Querschnitt C4).

Die 5 ist ein Graph, der ein Beispiel der Änderung der Porosität in porösem reinen Eisen (99,99 %) zeigt, das unter Druckbeaufschlagung mit einem Mischgas aus Stickstoff und Argon hergestellt worden ist. Wie es aus der 5 ersichtlich ist, nimmt dann, wenn der Argongasdruck konstant ist, die Porosität in dem porösen Körper zu, wenn der Stickstoffgasdruck zunimmt. Umgekehrt nimmt dann, wenn der Stickstoffgasdruck konstant ist, die Porosität in dem porösen Metallkörper ab, wenn der Argongasdruck zunimmt. Wie es durch die drei gestrichelten Linien gezeigt ist, besteht eine Tendenz dahingehend, dass die Porosität in dem porösen Körper zunimmt, wenn der Gasdruck des gesamten Mischgases zunimmt.

Die 6 ist ein Graph, der ein Beispiel der Änderung der Porosität in porösem reinen Eisen (99,99 %) zeigt, das unter Druckbeaufschlagung unter konstantem Druck (2,1 MPa) mit einem Stickstoff/Argon-Mischgas hergestellt worden ist. Wie es aus der 6 ersichtlich ist, nimmt bei konstanten Druckbedingungen die Porosität in dem porösen Körper zu, wenn der Stickstoffpartialdruck zunimmt. Wenn die 5 und 6 zusammen betrachtet werden, ist klar, dass das Stickstoffgas stark zu einer Zunahme der Porosität in dem porösen Metallkörper beiträgt. Ähnliche Ergebnisse wurden auch erhalten, wenn anstelle des Stickstoff-Argon-Mischgases ein Stickstoff-Helium-Mischgas verwendet wird.

Aus den in den 5 und 6 gezeigten Ergebnissen ist ersichtlich, dass die Porosität eines porösen Metallkörpers durch Einstellen der Zusammensetzung des Druckbeaufschlagungsatmosphärengases gesteuert werden kann.

Die 7 zeigt den Stickstoffgehalt in porösem reinen Eisen (99,99 %), das unter Druckbeaufschlagung unter konstantem Druck (2,1 MPa) mit einem Stickstoff-Argon-Mischgas hergestellt worden ist. Der Stickstoffgehalt steigt zusammen mit dem Anstieg des Stickstoffpartialdrucks stetig an, wird jedoch gesättigt, wenn der Stickstoffpartialdruck etwa 1 MPa beträgt. Das erhaltene poröse reine Eisen weist einen hohen scheinbaren Stickstoffgehalt auf, jedoch ist der Hauptteil dieses Stickstoffs in einem extrem dünnen Oberflächenschichtabschnitt auf der Oberfläche der Poren konzentriert und nur eine Spurenmenge von Fe4N ist in der &agr;-Phase im Inneren des reinen Eisens enthalten und dispergiert. D.h., die Härte des resultierenden porösen Körpers wird beträchtlich verbessert, und zwar so, wie wenn die gesamte Oberfläche, einschließlich der Porenoberflächen, einer Nitridierungsbehandlung unterworfen worden wäre. Dieser markante Aspekt des gesamten porösen Körpers, in dem nur eine Spurenmenge von Fe4N im Inneren vorliegt, obwohl eine große Stickstoffmenge in dem porösen Körper als Ganzes vorliegt, ist vermutlich auf die geringfügigen Veränderungen bezüglich der Menge an gelöstem Stickstoff aufgrund des Übergangs von der flüssigen Phase zur festen Phase (&dgr;-Phase, &ggr;-Phase und &agr;-Phase) zurückzuführen.

Der durch die vorliegende Erfindung erhaltene poröse Metallkörper weist auch verschiedene andere hervorragende Eigenschaften auf (wie z.B. dessen Festigkeit, Zähigkeit, spanende Bearbeitbarkeit, Umformbarkeit, Schweißbarkeit, Schwingungsdämpfung, akustische Dämpfung, hohe spezifische Oberfläche, usw.). Beispielsweise weist das poröse Metallmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung eine spezifische Festigkeit (Festigkeit/Gewicht), die etwa 20 bis 30 % höher ist als diejenige des Rohmetallmaterials, und eine etwa dreimal höhere Vickers-Härte auf.

Der mit der vorliegenden Erfindung erhaltene poröse Metallkörper auf Eisenbasis kann auch durch eine Härtungsbehandlung weiter gehärtet werden, um dessen Vickers-Härte auf etwa das Doppelte des Werts vor dem Härten zu erhöhen.

Die 8 ist ein Querschnitt, der ein Beispiel der Vorrichtung zeigt, die in der vorliegenden Erfindung zur Herstellung eines porösen Metallkörpers verwendet wird.

Die in der 8 gezeigte Vorrichtung weist einen Rohmetallmaterial-Erwärmungs- und -Schmelzabschnitt 1 und einen Kühlungs- und Verfestigungsabschnitt für geschmolzenes Metall 2 auf, bei denen es sich um die Hauptbestandteile handelt, die übereinander angeordnet sind.

Der Rohmetallmaterial-Erwärmungs- und -Schmelzabschnitt 1 umfasst einen Metallschmelztank 4, eine Induktionsheizspule 7, einen Stopfen 8, einen Entgasungsweg 31, ein Gaseinführungsrohr 9 und ein Gasaustragrohr 10. In dem Schritt (1) wird das Rohmetallmaterial in den Schmelztank 4 eingebracht und dann wird der Stopfen 8 in seiner geschlossenen Position angeordnet, um den Schmelztank 4 zu verschließen, und eine Vakuumpumpe (nicht gezeigt) wird dann betätigt, um das Gas innerhalb des Schmelztanks 4 durch den Entgasungsweg 31 zu spülen und die gewünschten Bedingungen des reduzierten Drucks zu erreichen. Der Induktionsheizspule 7 wird dann elektrische Energie zugeführt und das Rohmetallmaterial wird gemäß einem vorgegebenen Erwärmungsprofil unter reduziertem Druck erhitzt. Diese Erwärmungsbehandlung unter reduziertem Druck vermindert die Menge an Verunreinigungsgaskomponenten, wie z.B. Sauerstoff, Stickstoff, usw., in dem Rohmetallmaterial stark. Als Ergebnis wird der Gasgehalt in dem schließlich erhaltenen porösen Metallkörper ebenfalls stark vermindert.

Dann wird ein Gas von dem Gaseinführungsrohr 9 in einen oberen Raum 3-b des Schmelztanks 4 eingeführt, während die Verunreinigungsgaskomponenten, die von dem Rohmetallmaterial freigesetzt worden sind, durch das Gasaustragrohr 10 zu der Außenseite des Schmelztanks gespült werden.

Im Schritt (2) wird bei geschlossenem Gasaustragrohr 10 ein gegebenes Gas von dem Gaseinführungsrohr 9 in den oberen Raum 3-b des Schmelztanks 4 eingeführt und das Metall wird durch Zuführen von elektrischer Energie zu der Induktionsheizspule 7 entweder während oder nachdem das Innere des Schmelztanks 4 auf den festgelegten Druck druckbeaufschlagt wird bzw. worden ist, geschmolzen. Das Druckbeaufschlagungsgas im Schritt (2) und das Spülgas im Schritt (1) können die gleiche Zusammensetzung oder verschiedene Zusammensetzungen aufweisen, jedoch ist es im Hinblick auf eine Vereinfachung der Gaszuführungsvorrichtung, eine Erleichterung des Gaszuführungsvorgangs, usw., bevorzugt, dass die Zusammensetzungen gleich sind. Durch Schmelzen des Metalls unter diesen Druckbeaufschlagungsbedingungen wird eine große Menge Gas in dem Metall gelöst, wie es in der 3 und der 4 gezeigt ist.

Anschließend wird der Stopfen 8 angehoben und das geschmolzene Metall 3-a, in dem das Gas gelöst worden ist, wird durch einen Einlass für geschmolzenes Metall 11 in eine Gussform 5 gegossen, die am Boden des Kühlungs- und Verfestigungsabschnitts für geschmolzenes Metall 2 angeordnet ist, so dass ein poröser Metallkörper gebildet wird. Bevor das geschmolzene Metall hineingegossen wird, wird ein gegebenes Gas von einem Gaszuführungsrohr 12 in den Kühlungs- und Verfestigungsabschnitt für geschmolzenes Metall 2 eingeführt, so dass dessen Inneres bei dem festgelegten Druck gehalten wird. Der Gasdruck innerhalb des Kühlungs- und Verfestigungsabschnitts für geschmolzenes Metall 2 kann durch geeignetes Öffnen oder Schließen des Gaszuführungsrohrs 12 und eines Gasaustragrohrs 13 einfach gesteuert werden. Ferner kann die Kühlungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalls innerhalb der Gussform 5, die mit einem Kühlmechanismus 6 ausgestattet ist, durch die Menge an Kühlwasser, die von einem Rohr 14 zum Zuführen von Wasser oder eines entsprechenden Kühlmittels (da üblicherweise Wasser verwendet wird, wird dieses nachstehend als „Wasser" bezeichnet) zugeführt und von einem Kühlwasseraustragrohr 15 ausgetragen wird, gesteuert werden.

Folglich werden durch Kühlen des geschmolzenen Metalls, das in die Gussform 5 gegossen worden ist, vom Boden her mittels des Kühlmechanismus 6, während der Gasdruck innerhalb des Kühlungs- und Verfestigungsabschnitts für geschmolzenes Metall 2 gesteuert wird, zahlreiche Blasen, die von dem Gas stammen, das in dem Flüssigphasenabschnitt gelöst worden ist, in der Nähe der Grenzfläche zwischen der flüssigen Phase an der Oberseite und der festen Phase auf dem Boden gebildet und diese Blasen erzeugen Poren in der festen Phase.

Als Ergebnis wird ein poröses Metallmaterial mit der gegebenen Porenform, Porosität, usw., erhalten.

Die 9 ist eine Zeichnung, die schematisch ein Beispiel der Gussform 5 und deren Kühlmechanismus 6 veranschaulicht, die in der in der 8 gezeigten Vorrichtung verwendet werden. In dieser Ausführungsform dient der Kühlmechanismus 6 selbst als Boden der Gussform 5. In diesem Fall wird Kühlwasser vom Boden des Kühlmechanismus 6, der mit dem geschmolzenen Metall 3-a in Kontakt ist, zugeführt, wodurch das geschmolzene Metall schnell abgekühlt wird. Obwohl die 6 den Zustand zeigt, bei dem im Verlauf des Kühlens des geschmolzenen Metalls vertikale Poren gebildet werden, kann schließlich, wenn sich das Metall verfestigt, ein poröser Metallkörper 3 mit Poren, die sich von dem Boden zur Oberseite vertikal erstrecken, gebildet werden.

Die 10 ist ein vereinfachtes Diagramm, das ein weiteres Beispiel der Form 5 und deren Kühlmechanismus 6 zeigt, die in der in der 8 gezeigten Vorrichtung verwendet werden. In dieser Ausführungsform ist der Kühlmechanismus 6 in der Mitte der Gussform 5 angeordnet und das geschmolzene Metall 3-a wird in den zylindrischen Raum zwischen den beiden gegossen. Obwohl die 10 den Zustand zeigt, bei dem im Verlauf des Kühlens des geschmolzenen Metalls laterale Poren gebildet werden, kann schließlich, wenn sich das Metall verfestigt, ein poröser Metallkörper 3 mit Poren, die sich von der Innenseite zu der Außenseite des Zylinders lateral erstrecken, gebildet werden.

Die 11 veranschaulicht schematisch ein Beispiel für eine Vorrichtung zum Herstellen eines porösen Metallkörpers, bei dem ein kontinuierliches Gussverfahren eingesetzt wird.

Die in der 11 gezeigte Vorrichtung weist einen Rohmetallmaterial-Erwärmungs- und Schmelzabschnitt 1 und einen Halteabschnitt für geschmolzenes Metall 2 auf, die übereinander angeordnet sind, und eine kontinuierliche Gussvorrichtung ist in der lateralen Richtung mit dem Halteabschnitt für geschmolzenes Metall 2 verbunden. Das Entgasen und Schmelzen des Rohmetallmaterials in dem Rohmetallmaterial-Erwärmungs- und Schmelzabschnitt 1 werden in der gleichen Weise wie bei der in der 8 gezeigten Vorrichtung durchgeführt.

Als nächstes wird der Stopfen 8 angehoben und das geschmolzene Metall 3-a, in dem das Gas gelöst worden ist, wird durch einen Einlass für geschmolzenes Metall 11 in einen Schmelzehaltebehälter 19 gegossen, der sich am Boden einer Halteeinrichtung für geschmolzenes Metall 22 befindet. Bevor das geschmolzene Metall in den Schmelzehaltebehälter 19 gegossen wird, wird eine Vakuumpumpe (nicht gezeigt) betätigt, um das Gas durch das Entgasungsrohr 31 zu spülen, um dadurch den Druck innerhalb des Kühlungs- und Verfestigungsabschnitts für geschmolzenes Metall 22 zu reduzieren, worauf ein gegebenes Gas durch ein Gaszuführungsrohr 17 eingeführt wird, um das Innere bei einem gegebenen Druck zu halten. Der Gasdruck innerhalb des Kühlungs- und Verfestigungsabschnitts für geschmolzenes Metall 22 kann durch geeignetes Öffnen oder Schließen des Gaszuführungsrohrs 17 und des Gasaustragrohrs 18 einfach gesteuert werden. Das geschmolzene Metall, das in den Schmelzehaltebehälter 19 gegossen worden ist, wird durch eine Heizeinrichtung 20 bei einer gegebenen Temperatur gehalten.

Dann tritt das geschmolzene Metall, das durch das Gas mit Druck beaufschlagt worden ist, das von einem Gasinjektionsrohr 16 zugeführt worden ist, in eine Gussform 21 ein und wird kontinuierlich gegossen, wobei schließlich ein langer poröser Metallkörper gebildet wird. Das Verhalten des Gases an der Flüssigphase/Festphase-Grenzfläche im Verlauf der Verfestigung des geschmolzenen Metalls, wie die Poren in dem Metallkörper gebildet werden, usw., sind im Wesentlichen mit den Vorgängen identisch, wie sie bei der in der 8 gezeigten Vorrichtung stattfinden. Die Hauptbestandteile der kontinuierlichen Gussvorrichtung umfassen den Abschnitt der Gussform 21, der von einem Kühlmechanismus umgeben ist (die Flüssigphase/Festphase-Grenzfläche wird in diesem Abschnitt gebildet), einen Hilfskühlmechanismus 26, der gegebenenfalls bereitgestellt ist, eine Führungsspindel 27, die mit dem Ende des verfestigten porösen Metallkörpers in Kontakt steht, Rollen 28, usw. Die kontinuierliche Gussvorrichtung ist innerhalb einer verschlossenen Struktur 30 bereitgestellt, um eine Oxidation des porösen Metallkörpers bei hohen Temperaturen zu verhindern, um den Kühlmechanismus zu schützen, usw. Die verschlossene Struktur 30 ist mit einem luftdichten Ring 29, einem Inertgasinjektionsrohr 23 und einem Inertgasaustragrohr 24 ausgestattet, um den Inertgasdruck innerhalb dieser Struktur einzustellen. In der 11 bewegt sich an dem Punkt, an dem das Ende des porösen Metallkörpers, das durch die Führungsspindel 27 geführt wird, die sich nach links bewegt, die Position erreicht, an welcher der luftdichte Ring installiert ist, der luftdichte Ring 29 nach innen, so dass er in engem Kontakt mit der äußeren Umfangsfläche des porösen Metallkörpers kommt. Dann wird die Führungsspindel 27 aus der verschlossenen Struktur 30 herausgeführt und der poröse Metallkörper wird dann nach und nach aus der verschlossenen Struktur 30 herausgezogen. Folglich wird ein langer poröser Metallkörper erhalten.

Die 12 ist ein schematisches Diagramm, das ein weiteres Beispiel der kontinuierlichen Gussvorrichtung zeigt, die zum Herstellen eines langen porösen Metallkörpers verwendet wird. In der 12 sind die mechanischen Elemente, welche das Entgasen und Schmelzen des Rohmetallmaterials betreffen, weggelassen. Bei dieser Vorrichtung wird die Flüssigphase/Festphase-Grenzfläche des Metalls im Verlauf der Verfestigung aufgrund des Effekts der Form und der Position des Kühlmechanismus 26, der Abkühlungsgeschwindigkeit, des Gasdrucks, usw., geneigt zur Bewegungsrichtung des Metallkörpers ausgebildet, so dass ein poröser Metallkörper mit den in der Zeichnung gezeigten geneigten Poren erhalten wird. Die Form des porösen Metallkörpers kann entsprechend der inneren Oberflächenform der Gussform jedwede gewünschte Form sein, wie z.B. zylindrisch, linear, tafelförmig, prismatisch, usw.

Die 13 ist ein schematisches Diagramm, das ein weiteres Beispiel der kontinuierlichen Gussvorrichtung zeigt, die zum Herstellen eines stabförmigen oder drahtförmigen porösen Metallkörpers verwendet wird. Auch in der 13 sind die mechanischen Elemente, welche das Entgasen und Schmelzen des Rohmetallmaterials betreffen, weggelassen. Auch bei dieser Vorrichtung werden im Verlauf der Verfestigung die Struktur und die Positionierung des Kühlmechanismus 26, die Abkühlungsgeschwindigkeit, der Gasdruck, usw., eingestellt, und die Flüssigphase/Festphase-Grenzfläche in dem Metall wird bezüglich der Bewegungsrichtung des Metallkörpers gesteuert, wodurch ein poröser Metallkörper mit Poren in einer Form erzeugt wird, wie sie in der Zeichnung gezeigt sind.

Die 14(a) bis (h) sind schematische, partiell aufgeschnittene Schrägansichten des porösen Metallkörpers, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durch das kontinuierliche Gussverfahren hergestellt worden ist. Beispielsweise ist der poröse Metallkörper, der in (a) gezeigt ist, ein zylindrischer Metallkörper mit einem Querschnitt, der C3 in der 2 entspricht, und kann hergestellt werden, wenn die Flüssigphase/Festphase-Grenzfläche in dem Metall mit einer konstanten Bewegungsgeschwindigkeit entlang des schräg verlaufenden Querschnitts des Zylinders von dem einen Ende zum anderen Ende bewegt wird. Der in (b) gezeigte zylindrische poröse Metallkörper ist ein zylindrischer Metallkörper mit einem Querschnitt, der C3 in der 2 entspricht, und kann hergestellt werden, wenn die Bewegungsgeschwindigkeit der Flüssigphase/Festphase-Grenzfläche in dem Metall entlang des schräg verlaufenden Querschnitts des Zylinders von dem einen Ende zum anderen Ende diskontinuierlich verändert wird. Der in (c) gezeigte zylindrische poröse Metallkörper ist ein zylindrischer Metallkörper mit einem Querschnitt, der C3 in der 2 entspricht, und kann hergestellt werden, wenn der Gasdruck diskontinuierlich geändert wird, während die Bewegungsgeschwindigkeit der Flüssigphase/Festphase-Grenzfläche in dem Metall entlang des schräg verlaufenden Querschnitts des Zylinders von dem einen Ende zum anderen Ende konstant ist. Der in (d) gezeigte zylindrische poröse Metallkörper ist ein zylindrischer Metallkörper mit einem Querschnitt, der C3 in der 2 entspricht, und kann hergestellt werden, wenn der Gasdruck und die Bewegungsgeschwindigkeit der Flüssigphase/Festphase-Grenzfläche in dem Metall entlang des schräg verlaufenden Querschnitts des Zylinders von dem einen Ende zum anderen Ende diskontinuierlich geändert werden. Wie es in der 10 gezeigt ist, kann der in (e) gezeigte zylindrische poröse Metallkörper hergestellt werden, wenn sich der Kühlmechanismus 6 in der Mitte der Gussform befindet und die Flüssigphase/Festphase-Grenzfläche in dem Metall in der schräg verlaufenden Querschnittsrichtung von der Mitte des Zylinders in Richtung des Umfangsabschnitts bewegt wird. Der in (f) gezeigte zylindrische poröse Metallkörper kann hergestellt werden, wenn der Kühlmechanismus 6 um den Umfangsabschnitt der zylindrischen Gussform angeordnet ist und die Flüssigphase/Festphase-Grenzfläche in dem Metall mit einer konstanten Geschwindigkeit in der schräg verlaufenden Querschnittsrichtung von dem Umfangsabschnitt in Richtung der Mitte des Zylinders bewegt wird. In diesem Fall kann durch eine schnelle Durchführung des anfänglichen Kühlens ein Ringabschnitt, in dem keine Poren vorliegen, um den Umfang gebildet werden. Der in (g) gezeigte zylindrische poröse Metallkörper kann mit dem in der 11 gezeigten Verfahren hergestellt werden. Der in (h) gezeigte poröse Metallkörper, der einen rechteckigen Querschnitt aufweist, kann mit dem in der 11 gezeigten Verfahren unter Verwendung einer Gussform mit einer rechteckigen Innenfläche hergestellt werden.

Erfindungsgemäß ist es möglich, ein poröses Metallmaterial mit einer Porenform und -größe, einer Porosität, usw., herzustellen, die mit einem einfachen Verfahren unter Verwendung einer einfachen Anlage gesteuert werden können.

Erfindungsgemäß kann ein poröses Metallmaterial mit jedweder gewünschten Form hergestellt werden.

Wenn die vorliegende Erfindung durch ein kontinuierliches Gussverfahren implementiert wird, können große und lange poröse Metallmaterialien hergestellt werden.

Erfindungsgemäß kann der Gehalt an Verunreinigungskomponenten in dem resultierenden porösen Metallkörper verglichen mit dem Rohmetallmaterial beträchtlich reduziert werden. Beispielsweise ist es möglich, den Sauerstoffgehalt auf 1/20 oder weniger zu reduzieren, und den Stickstoffgehalt auf 1/6 oder weniger zu reduzieren.

Wenn in der vorliegenden Erfindung Eisen oder eine Eisenlegierung als Rohmetallmaterial und Stickstoff als Druckbeaufschlagungsgaskomponente verwendet werden, wird auf allen Oberflächen, einschließlich den Innenoberflächen der Poren, eine Nitridierungsphase gebildet, was zu einer beträchtlichen Zunahme der Härte führt.

Das erfindungsgemäß erhaltene poröse Metallmaterial weist ein geringes Gewicht, eine hohe spezifische Festigkeit (Festigkeit/Gewicht) und ein hervorragendes spanendes Verarbeitungsvermögen, eine hervorragende Schweißbarkeit, usw., auf.

Das poröse Metallmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch Füllen von dessen Porenabschnitten mit einem anderen Material oder durch Trägern eines anderen Materials in dessen Porenabschnitt ein neues Verbundmaterial bilden, das eine markante Leistungsfähigkeit aufweist. Ein spezifisches Beispiel eines solchen Verbundmaterials ist ein Katalysator, dessen Träger anstelle eines herkömmlichen Wabenträgers ein poröser Metallkörper ist (wie z.B. ein Abgasbehandlungskatalysator für Kraftfahrzeuge, usw., ein Desodorierungskatalysator, usw.).

In der vorliegenden Erfindung kann die Sicherheit der Vorgänge stark verbessert werden, wenn Stickstoff, Argon, Helium oder ein anderes, nicht entzündliches Gas als Druckbeaufschlagungsgas verwendet wird.

Aufgrund seiner einzigartigen Struktur und seiner hervorragenden Eigenschaften kann der poröse Metallkörper gemäß der vorliegenden Erfindung in einem breiten Bereich von Gebieten verwendet werden. Beispiele für solche Gebiete umfassen Wasserstoffspeichermaterialien, schwingungsfeste Materialien, stoßabsorbierende Materialien, Materialien zur elektromagnetischen Abschirmung, Teile und Strukturmaterialien in verschiedenen Strukturen (Motorenteile für Fahrzeuge, wie z.B. Automobile, Schiffe, Flugzeuge, usw., keramische Träger für Raketen- und Strahltriebwerke, leichte Platten für Anwendungen in der Raumfahrt, Werkzeugmaschinenteile, usw.), Materialien für medizinische Vorrichtungen (wie z.B. Stentmaterialien), Wärmetauschermaterialien, Schallisoliermaterialien, Gas/Flüssigkeit-Trennmaterialien, Strukturmaterialteile mit geringem Gewicht, Wasser- und Gasreinigungsfilter, selbstschmierende Lagermaterialien, Gaseinblasmaterialien in Gas/Flüssigkeit-Reaktionen, usw. Der poröse Metallkörper gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die vorstehend genannten Anwendungen beschränkt und kann auch in verschiedenen anderen Anwendungen eingesetzt werden.

Die beste Art und Weise der Durchführung der vorliegenden Erfindung (Beispiele) ist nachstehend angegeben, um die Eigenschaften der vorliegenden Erfindung weiter zu verdeutlichen. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt und es ist selbstverständlich, dass innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung verschiedene Abänderungen, Modifizierungen, Veränderungen, usw., durchgeführt werden können.

Beispiel 1

Ein poröses Kupfermaterial wurde unter Verwendung der in der 8 gezeigten Vorrichtung hergestellt.

Insbesondere wurde ein Kupferrohmaterial (99,99 % Reinheit) 0,1 Stunden bei 1250°C und 5 × 10–2 Torr gehalten und dann 0,5 Stunden bei 1250°C unter einer Atmosphäre eines der Druckbeaufschlagungsgase, die nachstehend detailliert beschrieben werden, geschmolzen. Dann wurde das geschmolzene Kupfer, in dem das Gas gelöst war, unter den gleichen Druckbeaufschlagungsbedingungen in eine zylindrische Gussform (100 mm hoch, 30 mm Innendurchmesser) gegossen und mittels eines Wasserkühlungsmechanismus, der am Boden der Gussform bereitgestellt war, vom Boden zur Oberseite verfestigt, wodurch ein poröser Kupferzylinder mit der in der 14(c) gezeigten Struktur erhalten wurde.

* Druckbeaufschlagungsatmosphärengas (Überdruck)

  • (a) 0,2 MPa H2 + 0,6 MPa Ar
  • (b) 0,4 MPa H2 + 0,4 MPa Ar
  • (c) 0,6 MPa H2 + 0,2 MPa Ar
  • (d) 0,8 MPa H2

Die 15 zeigt die Porosität jedes der vier verschiedenen erhaltenen porösen Kupferzylinder (a) bis (d). Aus den in der 15 gezeigten Ergebnissen ist klar, dass die Porosität bei Druckbeaufschlagungsbedingungen mit konstantem Druck mit zunehmendem Wasserstoffpartialdruck zunimmt.

Die 16(a) bis (d) sind elektronisch verarbeitete Bilder (entsprechend optischen Mikrographien), die einen Abschnitt des schräg verlaufenden Querschnitts jedes der vorstehend genannten vier verschiedenen porösen Kupferzylinder (a) bis (d) zeigen. Diese Bilder zeigen, dass die Porengröße durch Einstellen des Argon/Wasserstoff-Partialdruckver-hältnisses variiert werden kann.

Die 17 ist ein elektronisch verarbeitetes Bild (entsprechend einer optischen Mikrographie), das einen Abschnitt eines vertikalen Querschnitts des in der vorstehend beschriebenen Weise erhaltenen porösen Kupferzylinders (c) veranschaulicht. Es ist klar, dass vertikal ausgerichtete längliche Poren in einem regelmäßigen Muster gebildet worden sind.

Das Kupferrohmaterial enthielt etwa 157 ppm Sauerstoff und 13 ppm Stickstoff, wohingegen der Sauerstoff- und Stickstoffgehalt in dem porösen Kupferkörper auf 7 ppm bzw. 2 ppm gefallen war.

Beispiel 2

Ein poröses Eisenmaterial wurde unter Verwendung der schematisch in der 8 gezeigten Vorrichtung hergestellt.

Insbesondere wurde ein Eisenrohmaterial (99,99 % Reinheit) 0,1 Stunden bei 1800°C und 5 × 10–2 Torr gehalten und dann 0,5 Stunden bei 1650°C unter einer Atmosphäre eines der Druckbeaufschlagungsgase, die nachstehend detailliert beschrieben werden, geschmolzen. Dann wurde das geschmolzene Eisen, in dem das Gas gelöst war, unter den gleichen Druckbeaufschlagungsbedingungen in eine zylindrische Gussform (100 mm hoch, 30 mm Innendurchmesser) gegossen und mittels eines Wasserkühlungsmechanismus, der am Boden der Gussform bereitgestellt war, vom Boden zur Oberseite verfestigt, wodurch ein poröser Eisenzylinder mit der in der 14(a) gezeigten Struktur erhalten wurde.

* Druckbeaufschlagungsatmosphärengas (Überdruck)

  • (a) 0,3 MPa N2 + 1,2 MPa He
  • (b) 1,0 MPa N2 + 1,0 MPa He
  • (c) 1,0 MPa N2 + 0,5 MPa He
  • (d) 1,5 MPa N2 + 0,5 MPa He

Die 18 zeigt die Porosität jedes der vier verschiedenen erhaltenen porösen Eisenzylinder (a) bis (d). Aus den in der 18 gezeigten Ergebnissen ist klar, dass die Porosität bei Druckbeaufschlagungsbedingungen mit konstantem Druck durch Einstellen der Stickstoff- und Heliumpartialdrücke gesteuert werden kann.

Die 19(a) bis (d) sind elektronisch verarbeitete Bilder (entsprechend optischen Mikrographien), die einen Abschnitt des schräg verlaufenden Querschnitts jedes der vorstehend genannten vier verschiedenen porösen Eisenzylinder (a) bis (d) zeigen. Diese Bilder zeigen, dass die Porengröße durch Einstellen des Argon/Wasserstoff-Partialdruckver-hältnisses variiert werden kann.

Die erhaltenen porösen Eisenmaterialien wurden auf etwa 1000°C erhitzt und dann in Wasser getaucht, um eine Härtung durchzuführen, wobei das Ergebnis erhalten wurde, dass die Vickers-Härte der porösen Eisenmaterialien um etwa das 2,5- bis 3-fache zunahm.

Beispiel 3

Ein poröses Nickelmaterial wurde unter Verwendung der schematisch in der 8 gezeigten Vorrichtung hergestellt.

Insbesondere wurde ein Nickelrohmaterial (99,99 % Reinheit) 0,1 Stunden bei 1600°C und 5 × 10–2 Torr gehalten und dann 0,5 Stunden bei 1600°C unter einer Druckbeaufschlagungsgasatmosphäre (0,6 MPa N2 + 0,2 MPa Ar) geschmolzen. Dann wurde das geschmolzene Nickel, in dem das Gas gelöst war, unter den gleichen Druckbeaufschlagungsbedingungen in eine zylindrische Gussform (100 mm hoch, 30 mm Innendurchmesser) gegossen und mittels eines Wasserkühlungsmechanismus, der am Boden der Gussform bereitgestellt war, vom Boden zur Oberseite verfestigt, wodurch ein poröser Nickelzylinder mit der in der 14(a) gezeigten Struktur erhalten wurde.

Die 20 zeigt einen Abschnitt eines schräg verlaufenden Querschnitts des erhaltenen porösen Nickelzylinders als elektronisch verarbeitetes Bild (entsprechend einer optischen Mikrographie).

Beispiel 4

Eine poröse Kupfersäule (100 mm hoch, 30 mm Innendurchmesser) wurde unter Verwendung der schematisch in der 8 gezeigten Vorrichtung und der schematisch in der 10 gezeigten Gussform hergestellt, worauf diese Säule so umgewandelt wurde, dass ein poröser Zylinder erhalten wurde.

Insbesondere wurde ein Kupferrohmaterial (99,99 % Reinheit) 0,1 Stunden bei 1250°C und 5 × 10–2 Torr gehalten und dann 0,5 Stunden bei 1250°C unter einer Druckbeaufschlagungsgasatmosphäre (0,3 MPa H2 + 0,6 MPa Ar) geschmolzen. Dann wurde das geschmolzene Kupfer, in dem das Gas gelöst war, unter den gleichen Druckbeaufschlagungsbedingungen in eine zylindrische Form gegossen und vom Boden zur Oberseite verfestigt, wodurch eine poröse Säule erhalten wurde. Diese Säule wurde dann mit einem Drahtschneider verarbeitet, um poröse Kupferzylinder mit der in der 21 gezeigten Form und einem Außendurchmesser von 20 mm und einer Dicke von 1 mm zu erhalten.

Die 22 ist ein elektronisch verarbeitetes Bild (entsprechend einer optischen Mikrographie), das einen Abschnitt eines horizontalen Querschnitts des erhaltenen porösen Kupferzylinders zeigt. Aufgrund dieses Bilds ist klar, dass Poren gebildet wurden, die sich von der Innenfläche des Zylinders zu der Umfangsfläche erstrecken.

Die 23 ist ein elektronisch verarbeitetes Bild (entsprechend einer optischen Mikrographie), das einen Abschnitt der Außenfläche des in der 22 gezeigten porösen Kupferzylinders zeigt. Aufgrund dieses Bilds ist klar, dass ausgehend von der Innenfläche des Zylinders auf dem gesamten Weg zur äußeren Umfangsfläche zahlreiche Poren gebildet wurden.

Beispiel 5

Eine poröse Kupfersäule (100 mm hoch, 30 mm Innendurchmesser) wurde unter Verwendung der schematisch in der 8 gezeigten Vorrichtung und der schematisch in der 10 gezeigten Gussform hergestellt, worauf diese Säule so umgewandelt wurde, dass ein poröser Zylinder erhalten wurde.

Insbesondere wurde ein Kupferrohmaterial (99,99 % Reinheit) 0,1 Stunden bei 1250°C und 5 × 10–2 Torr gehalten und dann 0,5 Stunden bei 1250°C unter einer Druckbeaufschlagungsgasatmosphäre (0,3 MPa H2 + 0,2 MPa Ar) geschmolzen. Dann wurde das geschmolzene Kupfer, in dem das Gas gelöst war, unter den gleichen Druckbeaufschlagungsbedingungen in eine zylindrische Form gegossen und vom Boden her gekühlt, so dass es sich in der Richtung der zylindrischen Gussform verfestigte, wodurch eine poröse Kupfersäule erhalten wurde. Diese Säule wurde dann mit einem Drahtschneider umgewandelt, um einen porösen Kupferzylinder mit der in der 24 gezeigten Form und einem Außendurchmesser von 22 mm und einer Dicke von 1 mm zu erhalten.

Der erhaltene poröse Kupferzylinder wies eine so hohe Porosität auf, dass die Lichtdurchlässigkeit für das bloße Auge sichtbar war.

Die 25 ist ein elektronisch verarbeitetes Bild (entsprechend einer optischen Mikrographie), das einen Abschnitt eines schräg verlaufenden Querschnitts des in der 24 gezeigten porösen Kupferzylinders zeigt. Aufgrund dieses Bilds ist klar, dass Poren gebildet wurden, die sich von der Innenfläche des Zylinders zu der Umfangsfläche erstrecken.

Die 26 ist ein elektronisch verarbeitetes Bild (entsprechend einer optischen Mikrographie), das einen Abschnitt der Außenfläche des in der 24 gezeigten porösen Kupferzylinders zeigt. Aufgrund dieses Bilds ist klar, dass ausgehend von der Innenfläche des Zylinders auf dem gesamten Weg zur äußeren Umfangsfläche zahlreiche Poren gebildet wurden.

Beispiel 6

Eine poröse Kupfersäule (100 mm hoch, 30 mm Innendurchmesser) wurde unter Verwendung der schematisch in der 8 gezeigten Vorrichtung und der schematisch in der 9 gezeigten Gussform hergestellt.

Insbesondere wurde ein Kupferrohmaterial (99,99 % Reinheit) 0,1 Stunden bei 1250°C und 5 × 10–2 Torr gehalten und dann 0,5 Stunden bei 1250°C unter einer Druckbeaufschlagungsgasatmosphäre (0,4 MPa H2 + 0,4 MPa Ar) geschmolzen. Dann wurde das geschmolzene Kupfer, in dem das Gas gelöst war, unter den gleichen Druckbeaufschlagungsbedingungen in eine zylindrische Form gegossen und von der Kühloberfläche am Boden her in Richtung der Oberseite der zylindrischen Gussform gekühlt, wodurch ein poröser Kupferzylinder mit der in der 14(c) gezeigten Form erhalten wurde.

Aus diesem Zylinder wurde ein Prüfkörper mit einer Dicke von 3 mm herausgeschnitten und auf ein weißes Papier gelegt. Von oben her wurde Licht eingestrahlt und die Bildung von zahlreichen Poren mit einer einheitlichen Porengröße wurde bestätigt, wie es in der 27 gezeigt ist.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Herstellen eines porösen Metallkörpers, umfassend die nachstehenden Schritte in der folgenden Reihenfolge:

    (1) einen Schritt des Haltens eines Rohmetallmaterials innerhalb eines Temperaturbereiches, welcher 50 bis 200°C niedriger als der Schmelzpunkt des Metalls ist, in einem verschlossenen Gefäß unter einem reduzierten Druck in einem Bereich zwischen 10–1 und 10–6 Torr, um dadurch das Rohmetallmaterial zu entgasen,

    (2) einen Schritt des Schmelzens des Rohmetallmaterials unter Druckbeaufschlagung von zwischen 0,1 und 10 MPa durch Einführen zumindest einer Art von Gasen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Wasserstoff, Stickstoff, Argon und Helium, in das verschlossene Gefäß, um dadurch das Gas oder die Gase in dem geschmolzenen Metall zu lösen, und

    (3) einen Schritt des Gießens des geschmolzenen Metalls in eine mit einer Kühlvorrichtung ausgestattete Gussform, während der Gasdruck oberhalb und die Temperatur des geschmolzenen Metalls kontrolliert wird, des Kühlens und Verfestigens des geschmolzenen Metalls in einer Giessform innerhalb des verschlossenen Gefäßes, um einen porösen Metallkörper zu bilden.
  2. Verfahren zum Herstellen eines porösen Metallkörpers nach Anspruch 1, wobei das Metall aus der Gruppe, bestehend aus Eisen, Kupfer, Nickel, Kobalt, Magnesium, Aluminium, Titan, Chrom, Wolfram, Mangan, Molybdän, Beryllium und Legierungen, welche eines oder mehrere dieser Metalle umfassen, ausgewählt ist.
  3. Verfahren zum Herstellen eines porösen Metallkörpers nach Anspruch 1, wobei der in Schritt (2) angelegte Druck zwischen 0,2 und 2,5 MPa liegt.
  4. Verfahren zum Herstellen eines porösen Metallkörpers nach Anspruch 1, wobei das Kühlen und Verfestigen des geschmolzenen Metalls in Schritt (3) durch ein kontinuierliches Gussverfahren durchgeführt wird.
Es folgen 27 Blatt Zeichnungen






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B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
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H Elektrotechnik

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