AT405493B

AT405493B - Verfahren und vorrichtung zum herstellen von metallschaum-formkörpern

Info

Publication number: AT405493B
Application number: AT144297A
Authority: AT
Original assignee: Leichtmetallguss Kokillenbau W
Priority date: 1997-08-27
Filing date: 1997-08-27
Publication date: 1999-08-25
Also published as: ATA144297A

Description

Bei der Herstellung von Formkörpern aus Metallschaum nach dem pulvermetallurgischem Verfahren werden Pulver von Metall bzw. Metall-Legierungen mit Treibmittelpulver vermischt, anschliessend werden die Pulvermischungen kompaktiert und zu Halbzeug verpresst. Während man ursprünglich von stabförmigem Halbzeug ausgegangen ist, das zum Aufschäumen in der Vorkammer einer Giessanlage auf Schmelztemperatur erhitzt und damit zum Aufschäumen gebracht worden, ist hat man bei der Umsetzung des Verfahrens von Laboratoriumsversuchen auf eine industrielle Basis andere Halbzeugkonfigurationen gewählt.

Bei Schäumversuchen im Laboratorium ist naturgemäss die Frage der Produktivität des Verfahrens nicht im Vordergrund gestanden, beim industriellen Einsatz ist aber die Frage der Herstellkosten ein zentrales Anliegen. Die Produktivität einer Giessanlage für Metallschaum-Formteile wird zum überwiegenden Teil durch die Zeit bestimmt, die erforderlich ist, um das Halbzeug in der Vorkammer zum Aufschäumen zu bringen.

Man hat schon bei den ersten Versuchen mit Metallschäumen vorgeschlagen, das Halbzeug induktiv mittels Wirbelströmen aufzuheizen. Dieses Verfahren hat wohl den Vorteil, dass die Warme direkt in dem Halbzeug induziert wird, führt aber zu örtlichen Überhitzungen des Materials und damit in weiterer Folge zum Kollabieren von eben gebildeten Metallschaumzellen. Nachdem diese zunächst sehr elegant erscheinende Methode der Erwärmung des Halbzeuges ausscheidet, muss das Halbzeug durch Wärmeleitung durch die auf hohe Temperatur aufgeheizte Vorkammerwand zum Aufschmelzen gebracht werden. Zur Erzielung kurzer Täktzeiten ist es erforderlich die spezifische Oberfläche des Halbzeuges bezogen auf die Halbzeugmasse möglichst gross zu machen. Es bietet sich daher an, das Halbzeug als ein relativ dünnwandiges Rohr auszubilden.

Um Metallschaum-Formteile mit Volumina von einigen dm3 herstellen zu
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werden, da der Durchmesser des Halbzeugrohres nicht beliebig vergrössert werden kann.

Bei Versuchen mit solchen Halbzeugen konnten wohl kurze Aufschmelzzeiten erzielt werden, die Schaumstruktur war aber sehr inhomogen, in dem Metallschaum waren Riesenzellen eingeschlossen, welche die mechanischen Eigenschaften der Formkörper negativ beeinflusst haben.

Es ist ein Ziel der Erfindung, bei kurzen Aufheizzeiten homogene Schaumstrukturen zu erzielen insbesonders die Ausbildung von Riesenzellen zu vermeiden. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass der Rezipient der Vorkammer eine vorzugsweise vertikale Achse aufweist und die Wärmezufuhr zu dem im Rezipienten befindlichen Halbzeug in der Weise erfolgt, dass die untersten Zonen zuerst Schmelztemperatur erreichen und damit zum Aufschäumen gebracht werden und das Halbzeug sukzessive nach oben fortschreitend aufgeheizt und hierdurch aufgeschäumt wird.

Durch diese Massnahme wird erreicht, dass die Luft aus dem Inneren des Halbzeugrohres durch den sich von unten nach oben entwickelnden Schaum nach oben verdrangt wird und damit das Halbzeugrohr gezielt entlüftet wird. Es kann daher nicht eintreten, dass Luft durch den Schaum eingeschlossen wird, wie dies der Fall ist, wenn es praktisch gleichzeitig über die gesamte Lange des Halbzeugrohres von zB. 300-400 mm zur Schaumbildung kommt. Damit ist aber auch sichergestellt, dass es nicht zur Ausbildung von Riesenzellen kommt, die darauf zurückzuführen sind, dass Luft nicht aus dem Rohrinneren entweichen kann und auch innerhalb der kurzen, zur Verfügung stehenden Zeit keine Möglichkeit hat, durch den relativ viskosen Schaum aufzusteigen.

Weiter Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Zeichnung : Die Fig. 1 zeigt schematisch die Entwicklung des Metall-Schaumes im Rezipienten einer Metallschaum-Giessanlage gemäss dem Stand der Technik, die Fig. 2 veranschaulicht in einer gleichartigen Darstellung die Ergebnisse des erfindungsgemässen Verfahrens. Die Fig. 3 zeigt ebenfalls schematisch und im Axial-Schnitt den Rezipienten einer Metallschaum-Giessanlage, die Fig. 4 veranschaulicht eine Variante zu der oben gezeigten Vorrichtung, wobei im Diagramm gemäss Fig. 5 die Ansteuerung der verschiedenen Heizelemente veranschaulicht ist. Die Fig. 6 stellt schliesslich eine weitere Version der Vorkammer der Giesseinrichtung für Metall-Schaumformteile dar.

In Figur 1 ist ein Rezipient bzw. eine Vorkammer einer Giessanlage für Metallschaum-Formteile schematisch im Schnitt dargestellt. Mit 1 ist der Zylinder des Rezipienten dargestellt, der aus einem hochschmelzenden Metall, aus Keramik oder Quarzglas bestehen kann. Der Zylinder wird in bekannter Weise über seine Länge gleichmässig beheizt, die entsprechende Heizung die aus einer elektrischen Widerstandsheizung, einer Induktionsheizung oder auch aus mit Gas oder Heizöl gespeisten Brennern bestehen kann, ist in der Zeichnung nicht veranschaulicht. Die Position 2 bezeichnet einen Kolben, auf welchem der Halbzeugzylinder 3 aufsteht und mit welchen nach dem Aufschäumen des Halbzeuges der Schaum in die nicht dargestellte Form, welche auf das obere des Zylinders 1 aufgesetzt wird, gedrückt wird.

Das Halbzeug ist pulvermetallurgisch hergestellt : Aluminium-Pulver wird mit geringen Mengen TitanHydrid-Pulver gemischt, anschliessend kompaktiert, zu Rohren stranggepresst und schliesslich auf die erforderliche Länge, entsprechend der Masse des zu giessenden Formteiles abgelängt. Die Kurven 4a-4d

veranschaulichen in 4 Phasen die Entwicklung des Metallschaumes im Rezipienten : Durch die Aufheizung des Halbzeugzylinders über den Aussenmantel und Wärmeabgabe durch Strahlung und Konvektion am Innenmantel erreichen die äusseren Randschichten bereits die Schmelztemperatur des Halbzeuges ; es kommt auch bereits zu einer starken Dissoziation des Treibmittels.

Da aber der Innenmantel eine geringere Temperatur aufweist und wie ein Gewölbe der Volumsvergrösserung der Aussenschichten entgegenwirkt, kann sich in der ersten Phase (4a) nur im Bereich des oberen Randes des Halbzeuges in Form eines Torus Metallschaum bilden. In der nächsten Phase 4b verstärkt sich die Schaumbildung in diesem Bereich, ein Teil des Schaumes fliesst nach unten, es kommt aber auch bereits im Inneren des Halbzeugzylinders zur Schaumbildung, diese Tendenz verstärkt sich in der nächsten Phase (4c), wobei allerdings zu erkennen ist, dass sich die Fronten des Schaumwulstes am oberen Rand des Halbzeugzylinders nahezu vereinigen. In der nächsten Phase 4d verschliesst der Schaumwulst den oberen Bereich des Halbzeugzylinders während sich im inneren des Zylinders Luft in einer länglichen Blase gesammelt hat, nicht mehr entweichen kann.

Wird dieser sehr inhomogene Schaum mittels des Kolbens 2 in die Form gedrückt so kommt es zu Gussfehlern in Form von Oberflächenfehlern oder zu starken Inhomogenitäten in der Zellstruktur des Schaumes.

Die Figur 2 zeigt die Schaumentwicklung nach dem erfindungsgemässen Verfahren :
Durch die gezielte Aufheizung des Halbzeuges im unteren Bereich kommt es hier zuerst zur Bildung von Metallschaum (5a). Nachdem das Halbzeug von unten nach oben fortschreitend auf Schmelztemperatur gebracht wird, entwickelt sich die Schaumfront ebenfalls nach oben (5b-5d), wobei die Luft aus dem Inneren des Halbzeugzylinders nach oben verdrängt wird und nicht vom Schaum eingeschlossen werden kann Damit ist eine wesentliche Voraussetzung zur Bildung eines homogenen Schaumes gegeben. Wird dieser Schaum in die Form gedrückt, ergeben sich homogene Strukturen ohne die oben erwähnten Gussfehler.

Das erfindungsgemäss Verfahren kann in verschiedener Weise realisiert werden. Die Figur 3 zeigt eine erste Variante : Der Zylinder 1 des Vorkammer-Rezipienten wird durch eine elektrische Widerstandsheizung 6 auf ca. 800'C aufgeheizt. Eine thermische Isolierung 7 verhindert Wärmeverluste durch Abstrahlung und Konvektion. Das Alu-Halbzeugrohr wird mit Hilfe eines Handhabungsgerätes in die Vorkammer eingebracht.

Von dem Handhabungsgerät ist nur der Greifer 8 dargestellt, der mit einem schematisch angedeuteten Spreitzdorn 9 ausgerüstet ist. Nach dem Einführen des Halbzeuges verbleibt dieses zunächst in der dargestellten Position und wird dann weiter nach unten verschoben. Durch die längere Wärmeeinwirkung im unteren Teil des Halbzeugzylinders erreicht dieser früher die Schmelztemperatur. Die Schaumentwicklung setzt daher in der untersten Zone des Halbzeuges ein und schreitet von unten nach oben fort, wobei die im Zylinderinneren befindliche Luft nach oben verdrängt wird.

Die Figur 4 zeigt eine andere Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens : Die Widerstandsheizung ist in eine Reihe von Segmenten 10a-10e gegliedert, die gemäss Fig. 5 in einer zeitlichen Folge angesteuert werden, so dass die unterste Zone des Halbzeuges zuerst zum Aufschmetzen kommt, und die darüberliegenden Zonen zeitlich gestaffelt die Schmeiztemperatur erreichen. Die Figur 6 zeigt eine andere Version der erfindungsgemässen Vorrichtung : der Zylinder 15 der Vorkammer ist von einer Salz-oder Metallschmelze 16 umgeben, der durch eine Heizung 14 Energie zugeführt wird. Der Tiegel 13 wird durch einen Stahlbehälter 12 umschlossen.

Ein Vorteil dieser Lösung ist, dass der Schmelze im wesentlichen gleichmässig Energie zugeführt werden kann, zum Aufschmelzen des Halbzeuges dieser aber schlagartig eine grosse Energiemenge entzogen wird, so dass sich bei relativ niederer Spitzenbelastung des elektrischen Netzes kurze Aufschmeizzeiten ergeben. Um die gewünschte gesteuerte Aufschmelzung von unten nach oben zu gewährleisten, weist der Zylinder über seine Höhe unterschiedliche Wandstärken auf.

Im untersten Bereich sind sie am geringsten. Die Wandstärke nimmt nach oben gleichförmig zu.

Da die Schmelze 16 durch Konvektionseffekte ein ausserordentlich gutes Wärmeleitvermögen hat, ergibt sich durch die unterschiedliche Stärke der Zylinderwand eine unterschiedliche Wärmeleitung von der Schmelze zum Halbzeug. Im unteren Bereich mit geringer Wandstärke erreicht das Halbzeug früher Schmelztemperatur als in den darüberliegenden Zonen.

Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt ; eine gesteuerte Schaumbildung, wie sie oben beispielsweise gezeigt ist kann auch auf andere Weise herbeigeführt werden. So können auf den Zylinder 1 des Vorkammerrezipienten in den oberen Zonen thermische Isolierschichten aufgebracht werden. Wird die Innenfläche des Zylinders konisch ausgebildet, mit einem vergrössten Durchmesser im oberen Bereich so ergibt sich dort ein relativ grosser Luftspalt, während dieser im unteren Bereich sehr klein ist.

Durch diese Massnahme wird bevorzugt den unteren Zonen des Halbzeugzylinders Energie zugeführt, so dass das Aufschmelzen des Halbzeuges von unten nach oben erfolgt. Es können auch verschiedene Lösungen in Kombination eingesetzt werden.

Anstelle der in der Zeichnung dargestellten elektrischen Widerstandsheizung kann auch eine Induktionsheizung oder eine Heizung mit Gas- oder Ölbrennern vorgesehen sein.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zum Herstellen von Metallschaum-Formkörpern nach dem pulvermetallurgischem Verfahren, gemäss welchem Metallpulver mit einem Treibmittelpulver gemischt und zu einem Halbzeug verpresst wird, welches in einen vorzugsweise zylindrischen Rezipienten einer Giessanlage eingebracht wird, wobei das Halbzeug möglichst dicht an der beheizten Wand des Rezipienten unter Bildung einer relativ geringen Schichtstärke anliegt, wodurch sich eine grosse spezifische Oberfläche, bezogen auf die Halbzeugmasse ergibt, in weichem Rezipienten das Halbzeug auf Schmelztemperatur aufgeheizt wird, wobei das Treibmittel Gas abspaltet, weiches in der Metallschmeize zur Ausbildung von Zellen und damit zum Aufschäumen des Metalls führt, worauf der flüssige Metallschaum aus dem Rezipienten in eine Form übergeführt wird,

in welcher er abkühlt und erstarrt, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezipient (1) eine vorzugsweise vertikale Achse aufweist und die Wärmezufuhr zu dem im Rezipienten befindlichen Halbzeug (3) in der Weise erfolgt, dass die untersten Zonen zuerst Schmelz- temperatur erreichen und damit zum Aufschäumen gebracht werden und das Halbzeug (3) sukzessive nach oben fortschreitend aufgeheizt und hierdurch aufgeschäumt wird.
2. Verfahren zum Herstellen von Metallschaum-Formkörpern nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug (3) mit definierter Geschwindigkeit in den Rezipienten (1) eingeführt wird, wobei die untersten Zonen des Halbzeuges zuerst in den Rezipienten eingeführt werden und diesen damit früher die zum Aufschmelzen des Halbzeuges erforderliche Energie zugeführt wird als den darüber liegenden Zonen des Halbzeuges.
3. Vorrichtung zum Herstellen von Metallschaum-Formkörpern nach dem Verfahren gemäss Patentan- spruch 1 mit einem vorzugsweise zylindrischen Rezipienten, ferner mit einer Heizung für diesen Rezipienten, durch welche das pulvermetallurgisches Halbzeug auf Schmelztemperatur erhitzt und zum Aufschäumen gebracht wird und einer Einrichtung zum Verbringen des flüssigen Metallschaumes vom Rezipienten in eine Form, deren Temperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls liegt, sodass der in die Form eingebrachte Schaum in dieser abkühlt und erstarrt, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung (10) des Rezipienten (1) in eine Reihe vertikal gestaffelter Zonen (10a bis 10e) gegliedert ist, die getrennt ansteuerbar bzw.

regelbar sind, wobei zu Beginn eines Schmeizzyklus der untersten Heizungszone (10a) der grösste Energieanteil zuführbar ist, der obersten Zone (10e) der geringste, und vorzugsweise nach Erreichen der Schmelztemperatur des Halbzeuges (3) einer Zone die Heizleistung der darüberliegenden Zonen erhöht wird.
4. Vorrichtung zum Herstellen von Metallschaum-Formkörpern nach dem Verfahren gemass Patentan- spruch 1 mit einem vorzugsweise zylindrischen Rezipienten, ferner mit einer Heizung für diesen Rezipienten durch welche das pulvermetallurgisches Halbzeug auf Schmelztemperatur erhitzt und zum Aufschäumen gebracht wird, welche Heizung einen Tiegel mit einer Metall-bzw.

Salzschmelze umfasst, welche Schmelze den Rezipienten umschliesst und welcher durch Heizelemente Energie zuführbar ist, wobei die Schmelze als Wärmespeicher dient, der mit relativ geringer Leistung Energie zuführbar ist, die dann in sehr kurzer Zeit zum Aufschmelzen des Halbzeuges der Schmelze entziehbar ist, ferner mit einer Einrichtung zum Verbringen des flüssigen Metallschaumes vom Rezipienten in eine Form, deren Temperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls liegt, sodass der in die Form eingebrachte Schaum in dieser abkühlt und erstarrt, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand des Rezipienten (15) eine unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit besitzt, wobei die Wärmelei- tung im untersten Bereich des Rezipienten am grössten, im obersten Bereich am kleinsten ist.
5. Vorrichtung zum Herstellen von Metallschaum-Formkörpern nach Patentanspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenwand des Rezipienten (15) eine in ihrer Starke verlaufende, insbes. keramische Beschichtung aufweist.
6. Vorrichtung zum Herstellen von Metallschaum-Formkörpern nach Patentanspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass <Desc/Clms Page number 4> EMI4.1