Beschreibung
P431 – Entwicklung von Technologien zur Herstellung von Stahlschäumen
Das Forschungsvorhaben wurde vom Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) und vom Institut für Eisenhüttenkunde der RWTH Aachen (IEHK) im Rahmen eines Institutsverbundprojekts des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) durchgeführt. Ziel war die Entwicklung und Evaluierung geeigneter Verfahren für die Herstellung poröser Stahlwerkstoffe auf pulver- und schmelzmetallurgischer Basis. Das Vorhaben wurde durch Vermittlung der Studiengesellschaft Stahlanwendung e.V. von der Stiftung Stahlanwendungsforschung, Essen, mitgefördert.
Das Gesamtprojekt ist in zwei Teilvorhaben unterteilt, die am IFAM Bremen und am IEHK Aachen durchgeführt wurden. Im Teilvorhabens des IFAM wurden zwei verschiedene pulvermetallurgische Technologien untersucht, das Treibmittelverfahren und das Platzhalterverfahren. Beim Treibmittelverfahren wird ein Modellwerkstoff aus einer Mischung von Eisenpulver und Kohlenstoff (2,5 %) sowie dem Treibmittel Strontiumcarbonat (0 bis 0,5 %) hergestellt. Durch Strangpressen der Pulvermischung wird eine Verdichtung auf 97 bis 99 % der theoretischen Dichte erreicht. Eine Umformung des aufschäumbaren Halbzeugs durch Warmwalzen ist möglich und zeigt keinen signifikanten Einfluss auf die Eigenschaften der daraus hergestellten Schäume. Induktives Aufheizen des so hergestellten Halbzeugs bis in den teilflüssigen Phasenbereich bewirkt eine Zersetzungsreaktion des Treibmittels unter Freisetzung von Kohlendioxid CO2. Das freiwerdende Gas führt zur Porenbildung, und nach dem Abkühlen weisen die Werkstoffe Porositäten bis zu 64 % auf. Das Treibmittelverfahren ist zur Fertigung endformnaher Bauteile geeignet, wobei noch weiterer Entwicklungsbedarf für die Herstellung geeigneter Schäumformen besteht.
Beim Platzhalterverfahren wird ein nichtrostendes Stahlpulver mit einem Kunststoffgranulat (“Platzhalter”) gemischt und verdichtet, wobei die Platzhalter in einem thermischen und/oder chemischen Austreibungsprozess wieder entfernt werden. Dadurch werden offenporöse Stahlschäume mit einer Porosität von bis zu 90 % hergestellt. Bei der Verdichtung und Formgebung können verschiedene Verfahren angewandt werden, z.B. axiales Pulverpressen, Warmpressen, Kaltisostatpressen und sogar ein modifiziertes Metallpulver-Spritzguss-Verfahren. Die Auswahl des geeigneten Verfahrens ist abhängig von der Bauteilgeometrie, der Porosität des Bauteils sowie der zu fertigenden Stückzahl. Zum Beispiel wurden durch Kaltisostatpressen und einer anschließenden Wärmebehandlung Filterpatronen mit 62 mm Durchmesser und 65 mm Länge mit einer offenen Porosität von 60 % hergestellt.
Im Teilvorhaben des IEHK wurde zunächst eine schmelzmetallurgische Herstellungsroute für offenporige Stahlschäume untersucht. Das ausgewählte Verfahren basiert auf dem Umgießen von mineralischen Platzhaltern. Bei dem Prozess wird Gießereisand mit organischem Bindemittel zu kugelförmigen Platzhaltern pelletiert, anschließend in einer Gussform auf 500 °C erwärmt und mit einer überhitzten Metallschmelze umgossen. Durch die Gießhitze zerfällt der organische Binder, so dass der Gießereisand nach dem Erstarren mechanisch aus dem Gussstück entfernt werden kann. Es lassen sich mit diesem Verfahren offenporigen Metallschäume mit 2 bis 5 mm Porengröße und Dichten zwischen 2,8 und 3,4 g/cm3 herstellen. Im Laufe der Untersuchungen zeigten sich einige grundsätzliche Verfahrensbeschränkungen, die diese Methode als ungeeignet zur Herstellung von feinporigen Stahlschäumen erscheinen läßt.
Aus diesem Grund wurde ein alternatives Herstellungsverfahren zum Erreichen der formulierten Ziele evaluiert: das SchlickerReaktionsSchaumSinter (SRSS) –Verfahren. Mit diesem Verfahren können offenporige Metallschäume aus einer Vielzahl verschiedener Eisen- und Stahlpulver sowie hochschmelzender Metalle und Legierungen als Basismaterial dargestellt werden. Die Schaumgrünlinge werden bei Raumtemperatur mit geringem apparativen Aufwand hergestellt. Aus einem feinen Metallpulver (Teilchengröße zwischen 50 und 150 μm) und einem Lösungsmittel, beispielsweise Wasser oder Alkohol, wird ein Schlicker hergestellt, eventuell unter Beigabe eines suspensionsstabilisierenden Dispergiermittels. Dieser Schlicker wird mit konzentrierter Phosphorsäure als Bindemittel versetzt. In der Suspension finden dann zwei parallel ablaufende Reaktionen statt, die zur Bildung eines stabilen Schaumgrünlings führen. Zum einen entsteht bei der chemischen Reaktion zwischen Metall und Säure Wasserstoff, der ein Aufschäumen des Schlickers bewirkt. Zum anderen bildet sich ein Metallphosphat, das die Aufgabe eines Bindemittels übernimmt und zum „Einfrieren“ der Schaumstruktur führt. Während des Trocknens des Grünlings bei Raumtemperatur wandelt sich die zunächst geschlossenporige Struktur durch Verdunsten des Lösungsmittels in eine offenporige. Der Grünling wird in sauerstofffreier Atmosphäre zu einem offenporigen Metallschaum gesintert. Es können Schäume mit absoluten Dichten r zwischen 1,0 und 2,5 g/cm³ und mit Porendurchmessern zwischen 0,01 und 5,0 mm dargestellt werden. Die SRSS-Stahlschäume weisen gute strukturelle sowie funktionelle Eigenschaften auf. Besonders in Bereichen, in denen eine gute Durchströmbarkeit und eine hohe spezifische Oberfläche gefordert werden, wie in Filterelementen, Katalysatorträgern oder Bauteilen für die Schwitzkühlung, sind Anwendungen vorstellbar. Das SRSS-Verfahren ist für eine große Bandbreite von Matrixmaterialien wie Reineisen, verschiedene unlegierte und hochlegierte Stähle, Nickel, Kupfer und Zink verwendbar.
Veröffentlichung:
2003
Autoren:
Dr.-Ing. Gerald Rausch, Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Bleck, Dipl.-Ing. Ulrike Mohr
