Metallische Leichtwerkstoffe mit Zellulärgefüge

Hertha-Firnberg-Stelle T 52Metallische Leichtwerkstoffe mit ZellulärgefügeSusanne STROBL29.06.1999 Das Projekt zielt auf die Herstellung von porösen metallischen Leichtbauwerkstoffen mit zellulärer Struktur, die vor allem in der Verkehrstechnik zunehmendes Interesse finden. Bisherige Herstellungstechniken laufen entweder über die Konsolidierung von Metallpulvern zu porösen Formkörpern oder über das Aufschäumen von kompakten Metallen unter Freisetzung gasförmiger Treibmittel. Im gegenständlichen Projekt soll die Herstellung von Materialien mit zellulärer Struktur dadurch erfolgen, dag zunächst hohle Partikel hergestellt werden, die dann zu Körpern mit günstigem Festigkeit/Dichte-Verhältnis konsolidiert werden; letzteres kann durch Variation des Verhältnisses Wandstärke/Teilchendurchmesser variiert werden. Die Herstellung der Hohlpartikel soll v.a. durch ein Verfahren geschehen, das im Rahmen des FWF-Projektes P11014 für Cu-Basismaterialien entwickelt wurde, grundsätzlich aber für eine Vielzahl von Metallen und Legierungen anwendbar erscheint. Die Charakterisierung der erhaltenen Werkstoffe, von denen auch interessante Isolier- und Dämpungseigenschaften erwartet werden, soll die Erstellung von Eigenschaftsprofilen ermöglichen, die die Identifikation technischer Anwendungsgebiete erleichtern soll. Vor allem für die Automobilund Luftfahrtindustrie scheinen derartige Materialien nutzbar zu sein.

Mit Hilfe pulvermetallurgischer Techniken, d. i. die Verarbeitung von Metallpulvern durch Wärmebehandlung in Schutzatmosphäre (Sintern) zu Formkörpern, wurden über verschiedene Methoden Metall mit zellulären Strukturen hergestellt. Derartige Werkstoffe zeichnen sich durch geringe Dichten, hohe Porositäten und große Oberflächen aus. In dieser Arbeit wurden grundsätzlich zwei verschiedene Arten von metallischen Zellulärwerkstoffen erzeugt, die Herstellungsparameter optimiert und Eigenschaften wie Dichte, Struktur, Energieabsorption untersucht bzw. Bruchflächenanalysen durchgeführt. Ein Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung von sphärischen Hohlkugeln aus Zinnbronze, die über chemische Reaktionen erzeugt wurden. Durch das Sintern loser Hohlkugelschüttungen entstanden Formkörper, deren Eigen-schaften näher untersucht und beschrieben wurden. Die relativen Dichten (gemessene Dichte bezogen auf die theoretische Dichte) liegen zwischen 18 - 34%, dies kann vor allem auf die unterschiedlichen Sinter-temperaturen zurückgeführt werden. Die Struktur der Formkörper lässt sich nach Untersuchungen im Licht- und Rasterelektronenmikroskop folgendermaßen beschreiben: sphärische, geschlossene Poren im Partikelinneren und ein zusätzlicher Porenraum zwischen den gesinterten Hohlkugeln. Die Dichte und diese Struktur bedingen ein hohes Energieabsorptionsvermögen, das durch Ergebnisse aus Kompressionsversuchen Bestätigung fand. Die Bruchflächenanalysen weisen auf den duktilen Charakter des Materials hin und liefern wichtige Hinweise über die Güte der Wärmebehandlung und somit der Festigkeit des Werkstoffes. Im anderen Teil der Arbeit wurden hochporöse Metallschwämme aus verschiedenen Metallen durch Imprägnieren eines offenporigen Kunststoffschwammes mit einer Metallpulver enthaltenden Suspension oder direkte Metallpulverzugabe vor dem Schäumen des Kunststoffes hergestellt. Der Kunststoff wurde über Ausbrennen entfernt und die verbliebenen fragilen Metallschwämme über eine Wärmebehandlung verfestigt (gesintert). Die hochporösen Körper aus Eisen, Kupfer, Bronze, Nickel haben relative Dichten im Bereich von 3 - 12%, welche von der Metallpulverbeladung des Kunststoffes bzw. auf unterschiedliche Sintertemperaturen zurückzuführen sind. Untersuchungen im Licht- bzw. Rasterelektronenmikroskop ergaben, dass offenporige Strukturen vorliegen, die in Abhängigkeit vom Ausgangskunststoff groß- oder kleinzellig sein können. Derartige Werkstoffe könnten als Filter, zur Dämpfung oder Energieabsorption in Bauteilen, als Katalysatorträger, Flammensperren, Wärmetauscher, im Leicht- und Automobilbau sowie in der Luftfahrtindustrie eingesetzt werden.