AT14884U1

AT14884U1 - Metallfilter

Info

Publication number: AT14884U1
Application number: ATGM207/2015U
Authority: AT
Inventors: Christian Löffler; Bernhard Mayr-Schmölzer; Ingmar Wesemann
Original assignee: Plansee Se
Priority date: 2015-07-10
Filing date: 2015-07-10
Publication date: 2016-08-15
Also published as: TW201706033A; WO2017008092A1

Abstract

Die Erfindung umfasst einen Filter, der zumindest bereichsweise aus Pulverpartikeln gebildet ist, die zumindest 50 At% Molybdän oder Wolfram enthalten. Der Filter weist zumindest einen Bereiche A und einen Bereich B auf,wobei im Bereich A die mittlere Partikelgröße kleiner als im Bereich B ist. Der Filter zeichnet sich durch eine ausgezeichnete Filterwirkung sowie mechanische Stabilität aus und eignet sich insbesondere für das Filtern von metallischen Schmelzen.

Description

Beschreibung

METALLFILTER

[0001] Die Erfindung betrifft einen Filter, der zumindest bereichsweise aus Pulverpartikeln gebildet ist, die zumindest 50 At% Molybdän (Mo) oder Wolfram (W) enthalten. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Filters und dessen Verwendung.

[0002] Metall- oder Salzschmelzen müssen häufig vor der Verarbeitung durch Gießen oder Spritzen von unlöslichen Verunreinigungen gereinigt werden. Derartige Verunreinigungen können aus nicht aufgeschmolzenen oder nicht gelösten Partikeln mit einem höheren Schmelzpunkt als der Schmelze bestehen, aber auch andere feste Bestandteile wie beispielsweise Oxide oder Karbide aus Bestandteilen der Schmelze sein. Diese unlöslichen Partikel führen dann zu unerwünschten Einschlüssen im erstarrten Bauteil. Im Fall des Verspritzens der Schmelze können die festen Bestandteile zum Verstopfen der Düse führen. Ein gängiges Verfahren für die Reinigung von Schmelzen ist die Filtration. Dafür wird die Schmelze durch einen Filter geleitet, an dem feste Bestandteile ab einer bestimmten Größe zurückgehalten werden. Partikel, welche die Filtergröße unterschreiten, werden nicht beeinflusst.

[0003] Nach dem Stand der Technik werden häufig Keramikfilter zum Entfernen dieser unerwünschten Bestandteile verwendet. Die Verwendung von Metallfiltern ist weniger gebräuchlich, da es in einer Vielzahl von Fällen zu chemischen Reaktionen zwischen dem Metallfilter und der Schmelze kommt. Keramikfilter bieten den Vorteil einer ausgezeichneten chemischen Stabilität gegenüber den meisten Metallschmelzen (z. B. Aluminium- oder Magnesiumschmelzen).

[0004] Zudem bieten keramische Filter auch bei Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt der zur verarbeitenden Metallschmelze eine hinreichende Druckfestigkeit. Die gängigste Filterkeramik ist Aluminiumoxid, aber auch andere Oxide, Nitride und Karbide können eingesetzt werden.

[0005] Jedoch weisen solche Keramikfilter auch gewisse Nachteile auf. Bei der sogenannten Anlasseinspritzung (priming) muss die Metallschmelze erstmalig durch die offenporöse Struktur des Filters gedrückt werden. Hierbei spielt das Benetzungsverhalten der Metallschmelze mit dem Filtermaterial eine entscheidende Rolle. Es ist bekannt, dass sich oxidische Verbindungen (Keramiken) durch flüssige Metallschmelzen nur schlecht benetzen lassen. Das Benetzungsverhalten kann durch Erhöhung der Temperatur der Schmelze verbessert werden, was allerdings auf Grund der thermischen Stabilität weiterer Komponenten, die der Prozesstemperatur ausgesetzt sind (z.B. Schmelzwanne) nicht immer möglich ist. In diesem Fall muss der erforderliche Druck für die Anlasseinspritzung erhöht werden, um den Durchfluss der Metallschmelze zu ermöglichen.

[0006] Alternativ dazu kann die Schmelze auch in einem geschlossenen, druckbeaufschlagten System durch den Filter gedrückt werden. In solchen Systemen werden auf Grund der erforderlichen Bruchzähigkeit bevorzugt Metalle als Kesselwandmaterialien verwendet. Der Filter muss dabei integraler Bestandteil des Behälters sein. Allerdings können keramische Filter oftmals nicht direkt mit dem metallischen Behälter verbunden werden. Direktes Verschweißen durch Laser- oder Elektronenstrahltechnik ist nicht möglich. Verlöten ist nur dann möglich, wenn die Keramik zuvor mit einem Aktivator versehen wurde. Das Verlöten selbst stellt einen kritischen Prozessschritt dar. So muss besonderes Augenmerk auf die Auswahl eines geeigneten Lotmaterials gelegt werden. In vielen Fällen zeigen übliche Metalllote keine gute Beständigkeit gegenüber Metallschmelzen. Gleiches gilt für die vorher genannten Aktivatoren. Ebenfalls muss gewährleistet werden, dass beim Löten das Lotmaterial nicht in den vorgesehenen Filter eindringt und diesen damit unbrauchbar macht.

[0007] Neben keramischen Filtern sind auch Filter aus den Refraktärmetallen Mo und W bekannt, da diese Werkstoffe eine hohe Beständigkeit gegenüber vielen metallischen Schmelzen aufweisen. So ist ein Filter aus W in der US 3 565 607 A und aus Mo in der JP 10168505 A beschrieben.

[0008] Setzt man für die Herstellung des Filters grobe Partikel aus Mo oder W ein, so ist die erzielbare Filterwirkung (kleinste filterbare Verunreinigung) begrenzt.

[0009] Wird für die Herstellung ein sehr feinkörniges Pulver eingesetzt, so kann man nur sehr dünne Filterelemente hersteilen, da ansonsten der notwendige Filterdruck zu hoch wird. Bei dünnwandigen Filterelementen ist jedoch nachteilig, dass die Festigkeit für viele Anwendungen nicht ausreicht. Zudem wirkt sich auch die Sprödigkeit der Refraktärmetalle nachteilig auf die mechanische Stabilität des Filters aus.

[0010] Es ist Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, einen Filter bereitzustellen, der die zuvor geschilderten Nachteile nicht aufweist. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, einen Filter bereitzustellen, der bei geringem Filterdruck feine Partikel aus Schmelzen, bevorzugt Metallschmelzen, separieren kann.

[0011] Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst.

[0012] Der Filter ist dabei zumindest bereichsweise, bevorzugt vollständig aus Pulverpartikeln gebildet, die zumindest 50 At% Mo oder 50 At% W enthalten. Bevorzugt weist der Filter > 70 At% Mo oder W, insbesondere > 90 At% Mo oder W auf. Die höchste Korrosionsbeständigkeit kann erreicht werden, wenn der Mo- bzw. W-Gehalt > 95 At%, insbesondere > 99 At% beträgt. Auch Mo-W- Legierungen im gesamten Konzentrationsbereich eignen sich in ausgezeichneter Weise als Filtermaterial. So besitzen Mo-W Legierungen eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber Zink-Schmelzen.

[0013] Bevorzugte Legierungselemente für Mo oder W sind Rhenium (Re), Tantal (Ta), Niob (Nb), Chrom (Cr), Zirkon (Zr), Hafnium (Hf), Titan (Ti) oder Seltenerdmetalle. Als besonders vorteilhafte Werkstoffe sind Rein-W, W - 0,1 bis 3 Ma% Seltenerdoxid, Rein-Mo, Mo - Titan (Ti) - Zirkon (Zr) - C (übliche Bezeichnung: TZM), Mo - Hafnium (Hf) - C (übliche Bezeichnung: MHC), Mo - 0,1 bis 3 Ma% Seltenerdoxid, Mo-bis 48 Ma%Re und W-bis 26Ma%Re zu nennen. Als besonders geeignetes Seltenerdoxid ist La203 herauszustreichen. Unter Rein-W bzw. Rein-Mo sind dabei die Metalle mit der üblichen technischen Reinheit zu verstehen.

[0014] Der Filter weist zumindest zwei unterschiedliche Bereiche A und B auf. Die Bereich A und B unterscheiden sich in ihrer mittleren Partikelgröße, wobei die Partikelgröße im Bereich A kleiner als im Bereich B ist. Die Partikelgröße wird dabei nach üblichen Methoden im Querschliff (Cu-infiltriert) in Anlehnung (statt Korngrenze wird Partikelgrenze verwendet) an die ASTM E112-13 bestimmt. Bevorzugt ist im Bereich A die mittlere Partikelgröße um zumindest 25 %, insbesondere um zumindest 50 %, besonders bevorzugt um zumindest 70 % kleiner als im Bereich B.

[0015] In Werten ausgedrückt beträgt die Partikelgröße im Bereich A bevorzugt 0,1 bis 10 gm und im Bereich B 0,2 bis 30 gm.

[0016] Der Bereich B hat dabei die Funktion eines durchlässigen Stützkörpers. Die Filtration der Metallschmelze erfolgt im Bereich A.

[0017] Die erfindungsgemäßen Filter weisen gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte Filterwirkung und insbesondere auch eine höhere Warmfestigkeit und mechanische Stabilität, insbesondere bei hohen Einsatztemperaturen auf. Die erfindungsgemäßen Filter sind des Weiteren frei von makroskopischen Oxiden, die ein schlechteres Benetzungsverhalten bewirken würden. Daher ist auch das Verhalten bei der Anlasseinspritzung im Vergleich zum Stand der Technik Filter deutlich verbessert. Ein weiterer Vorteil der gegenständlichen Lösung liegt darin, dass die erfindungsgemäßen Filter in einfacher Weise integral mit anderen Komponenten gefügt werden können. Das Fügen kann durch gängige Verfahren wie beispielsweise Elektronenstrahlschweißen, Laserschweißen oder auch Widerstandsschweißen erfolgen. Damit kann auch auf Lotmaterialien oder Aktivatormaterialien verzichtet werden. Damit sind auch unerwünschte Reaktionen des Filtermaterials mit der Metallschmelze ausgeschlossen.

[0018] In einer vorteilhaften Ausführungsform sind der Bereich A und der Bereich B stoffschlüssig miteinander verbunden. Unter stoffschlüssigen Verbindungen werden alle Verbindungen zusammengefasst, bei denen die Verbindungspartner durch atomare oder molekulare Kräfte zusammengehalten werden. Bevorzugt wird die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem

Bereich A und B durch einen Sinterprozess realisiert. Auch die Partikel des Filters sind bevorzugt miteinander zumindest teilweise stoffschlüssig durch einen Sinterprozess miteinander verbunden. Die Verbindungszone zwischen den Partikeln wird auch als Sinterhals bezeichnet. Durch die stoffschlüssige Verbindung der einzelnen Partikel ist gewährleistet, dass der Filter ein Mindestmaß an Festigkeit aufweist. Die nicht versinterten Bereiche zwischen den Partikeln bilden ein offen poröses Netzwerk aus Kanälen, das ein Durchdringen der Metallschmelze ermöglicht. Dies ist beispielhaft in Figur 1a wiedergegeben, wobei die Partikelgröße im Bereich B mit X und die Partikelgröße im Bereich A mit Y bezeichnet ist. Aus Figur 1b ist ersichtlich, wie die Metallschmelze über das offenporige Netzwerk aus Kanälen durch den Filter dringt, wobei der Bereich A die Filterfunktion und der Bereich B die Trägerfunktion übernimmt.

[0019] Des Weiteren weist der Filter bevorzugt eine Porosität im Bereich A von 10 bis 30 % und im Bereich B von 15 bis 80 % auf. Die Bestimmung der Porosität erfolgt dabei durch Quecksil-berporosimetrie.

[0020] Eine vorteilhafte Verwendung des Filters liegt im Filtern von metallischen Schmelzen. Der erfindungsgemäße Filter zeichnet sich durch eine sehr gute Beständigkeit gegenüber einer Vielzahl von Metallschmelzen aus. So können beispielsweise in schmelzflüssiger Form Aluminium, Blei, Cäsium, Gallium, Gold, Kalium, Kupfer, Lithium, Magnesium, Natrium, Quecksilber, Wismut, Zinn sowie Selten-Erdmetalle gefiltert werden. Die maximale Temperatur, bei der noch eine ausreichende Beständigkeit gegeben ist, kann aus der Tabelle 1 entnommen werden.

[0021] Insbesondere eignet sich der Filter für das Filtern von Zinnschmelzen in einer EUV-Anlage. EUV (extreme ultra violett) ist ein Fotolitographieverfahren, das elektromagnetische Strahlung mit einer sehr kleinen Wellenlänge (13,5 nm) nutzt. Dieses Verfahren ermöglicht eine Strukturverkleinerung bei Halbleiterkomponenten damit kleinere, effizientere, schnellere und günstigere integrierte Schaltkreise hergestellt werden können. Die EUV-Strahlung wird bei der Erzeugung eines Plasmas frei. Das Plasma wird beispielsweise durch Fokussierung von Laserstrahlung erzeugt. Als Medium wird wegen der höheren Konversionseffizienz Zinn eingesetzt. Die Zinnschmelze wird filtriert, um eine entsprechende Reinheit zu gewährleisten.

[0022] Der erfindungsgemäße Filter eignet sich jedoch nicht nur für Metallschmelzen, sondern es können damit vorteilhaft auch andere Flüssigkeiten, insbesondere bei höheren Einsatztemperaturen gefiltert werden.

Tabelle 1 [0023] Das Verfahren zur Herstellung des Filters umfasst einen Pressschritt zur Herstellung des Bereichs B und das Aufbringen einer Suspension für die Herstellung des Bereichs A. Das für den Bereich B eingesetzte Pulver weist bevorzugt eine Partikelgröße von 0,2 bis 30 pm auf. Die Partikelgröße wird dabei nach Fisher (FSSS... Fisher Sub-Sieve Sizer) gemessen. Für die Suspension zur Aufbringung des Bereichs A wird Pulver mit Partikelgröße FSSS bevorzugt von 0,1 bis 10 pm verwendet. Um die Sinterhalsbildung zwischen den Partikeln zu erzielen, wird der Filterrohling einer Wärmebehandlung (Sintern) im Bereich von I.OOO'C bis 1.800°C unterzogen. Die Temperatur für die Wärmebehandlung hängt dabei vom verwendeten Material und der Partikelgröße ab. Im unteren Temperaturbereich werden Werkstoffe mit niedriger Liquidustem-peratur bzw. feine Pulver gesintert. Grobkörniges Pulver bzw. Werkstoffe mit hoher Liquidus-temperatur werden im oberen Bereich des zuvor spezifizierten Temperaturbereichs gesintert. Da sich die Partikelgröße des Bereichs A von der Partikelgröße des Bereichs B unterscheidet, ist es vorteilhaft, den Bereich B bereits vor dem Aufbringen der Suspension einer separaten Wärmebehandlung zu unterziehen. Für den bevorzugten Partikelgrößenbereich des Bereichs B von 0,2 bis 30 pm beträgt die bevorzugte Wärmebehandlungstemperatur I.IOO'C bis 2.000^. Für feinkörniges Pulver kommt wiederum der untere und für grobkörniges Pulver der obere Bereich zur Anwendung. Die Pulverkonsolidierung des Bereichs B erfolgt bevorzugt durch Verdichten des Pulvers in einer Matrize oder kaltisostatisch in einem flexiblen Behälter (Schlauchpressen).

[0024] Im folgenden Beispiel wird die Erfindung näher beschrieben.

[0025] Figur 1a,b zeigen dabei den schematischen Aufbau der offenporigen Struktur des zweilagigen Filters.

[0026] Figur 2 zeigt die poröse Struktur des Bereichs B.

BEISPIEL

[0027] Die Herstellung des Filterelements erfolgte durch einen zweistufigen Prozess.

[0028] In einem ersten Schritt wurde W-Pulver mit einer mittleren Partikelgröße (FSSS) von 6 pm zu einem Grundkörper durch Matrizenpressen gepresst. Danach wurde der so genannte Grünling (gepresster Körper) in reduzierender Atmosphäre (Wasserstoff mit einem Taupunkt < -20^) bei einer Temperatur von 1800°C gesintert. Durch eine mechanische Bearbeitung wurde der gesinterte Grundkörper in die gewünschte Form des späteren Filters gebracht.

[0029] In einem zweiten Schritt wurden auf dem porösen Grundkörper über ein Suspensionsverfahren W-Partikel abgeschieden. Dazu wurde das Bauteil in eine Wolframsuspension getaucht und getrocknet. Die mittlere Partikelgröße FSSS des Wolframpulvers in der Suspension betrug 0,75 pm. Bei einer darauf folgenden Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 1600 ‘O in einer Wasserstoffatmosphäre (Taupunkt < -20^3) bildete sich die offenporige Struktur des Bereichs A aus.

[0030] Der so hergestellte Filter wurde zum Filtern einer Aluminium- (Temperatur der Schmelze: 700°C) und einer Zinnschmelze (Temperatur der Schmelze:300qC) eingesetzt. Der Filter zeichnete sich durch eine ausgezeichnete Filterwirkung, hohe mechanische Stabilität und Korrosionsbeständigkeit aus.

Claims

Ansprüche

1. Filter, der zumindest bereichsweise aus Pulverpartikeln gebildet ist, die zumindest 50 At% Molybdän (Mo) oder Wolfram (W) enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter zumindest zwei unterschiedliche Bereiche A und B aufweist, wobei im Bereich A die mittlere Partikelgröße kleiner als im Bereich B ist.
2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich A die mittlere Partikelgröße um zumindest 50 % kleiner als im Bereich B ist.
3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Partikelgröße im Bereich A 0,1 bis 10 gm und im Bereich B 0,2 bis 30 gm beträgt.
4. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverpartikel zumindest bereichsweise über Sinterhälse miteinander verbunden sind.
5. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich A eine Porosität von 10 bis 30 % und der Bereich B von 15 bis 80 % aufweist.
6. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel aus Mo, einer Mo-Legierung mit Mo > 90 At%, W, einer W-Legierung mit W > 90 At% oder einer Mo- W Legierung bestehen.
7. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche A und B stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
8. Verwendung eines Filters nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Filtern von Metallschmelzen.
9. Verwendung eines Filters nach Anspruch 8 zum Filtern einer Zinn (Sn) Schmelze in einer EUV-Anlage.
10. Verfahren zur Herstellung eines Filters nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Bereichs B einen Pressschritt und die Herstellung des Bereichs A das Aufbringen einer Suspension umfasst.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst: - Herstellen des Bereich B durch Pressen von Partikeln, die eine Partikelgröße FSSS von 0,2 pm bis 30 pm aufweisen; - Herstellen des Bereichs A durch Aufbringen einer Suspension auf dem Bereich B, wobei die Suspension Pulverpartikel mit einer Partikelgröße FSSS von 0,1 bis 10 pm enthält; - Wärmebehandlung von Bereich A und B bei 1000 bis 1800°C.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet; dass der Bereich B vor Aufbringen der Suspension einer Wärmehandlung bei 1100 bis 2000^ unterzogen wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Pressen des Bereichs B in einer Matrize oder kaltisostatisch in einem flexiblen Behälter erfolgt. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen