AT406558B

AT406558B - Verfahren und vorrichtung zum herstellen von metallschaumteilen

Info

Publication number: AT406558B
Application number: AT90198A
Authority: AT
Inventors: Franz Dipl Ing Schoerghuber
Original assignee: Illichmann Gmbh Leichtmetallgu
Priority date: 1998-05-27
Filing date: 1998-05-27
Publication date: 2000-06-26
Also published as: ATA90198A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Metallschaumteilen nach dem pulver-metallurgischem Verfahren, gemäss welchem ein Pulver eines Matrixmetalls, z. B. Aluminium mit einem Treibmittelpulver, zB Titanhydrid gemischt und anschliessend, zum Beispiel durch kalt- isostatisches Pressen (CiPen), kompaktiert und durch Strangpressen, Walzen od. dgl weiter verdichtet und zu einem vorzugsweise dünnwandigen, flächigen oder rohrformigen Halbzeug umgeformt wird, welches Halbzeug schliesslich, insbes. in einer Form, durch Erwärmen des Halbzeuges auf die Schmelztemperatur des Matrixmetalles und Dissoziation des Treibmittels zum Aufschäumen gebracht wird.

Bei bekannten Verfahren dieser Art wird das Halbzeug in Kokillen aus Grauguss oder Stahl eingelegt, worauf die Kokille in einem Ofen auf eine Temperatur aufgeheizt wird, die deutlich über der Schmelztemperatur des Matrixmetalles liegt Um eine ausreichende Produktivität des Prozesses zu erzielen, muss die Aufheizung einerseits sehr rasch, d. h innerhalb weniger Minuten erfolgen.

Auf der anderen Seite ist eine sehr gleichmässige Erwärmung der Kokille erforderlich, da sonst einzelne Bereiche des Halbzeuges noch nicht zum Aufschmelzen und damit zum Aufschäumen gekommen sind, während andere Bereiche überhitzt worden sind und die Schaumzellen in diesen Bereiche ganz oder teilweise kollabieren Es ist notwendig, die Kokille mit einer Abweichung von wenigen 0 C in sehr kurzer Zeit auf rund 800 0 C und mehr aufzuheizen, was besonders bei grossen Kokillenabmessungen extrem schwierig ist.

Ein weiteres Problem ist, dass die Kokillen um eine entsprechende Standzeit zu erzielen relativ massiv ausgeführt werden müssen Dies bedeutet aber, dass relativ grosse Massen in sehr kurzer Zeit aufgeheizt und anschliessend wieder sehr schnell abgekühlt werden müssen, damit der Metallschaum erstarren kann und es nicht zum Kollabieren des Schaums kommt. Dementsprechend ist der energetische Wirkungsgrad des Prozesses sehr gering und die thermische Belastung der Kokillen hoch.

Ein weiteres Problem ist, dass es unter diesen Voraussetzungen sehr schwierig ist, eine industrielle Produktion mit hohem Qualitätsanspruch, hoher Ausbeute und akzeptablem energetischen Wirkungsgrad durchzuführen.

Diese Probleme werden erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das Halbzeug in eine Form eingebracht wird, die zumindest teilweise aus einem Material besteht, welches für kurzweilige elektromagnetische Wellen, insbes Infrarot-Strahlung nahe dem sichtbaren Bereich gut durchlässig ist, worauf die das Halbzeug enthaltende Form im Strahlungsbereich einer Strahlungsquelle angeordnet und so positioniert wird, dass sich das Halbzeug im wesentlich in dem Bereich der Form befindet, in welchem diese für die Strahlung der Strahlungsquelle durchlässig ist, dass in einem weiteren Verfahrensschritt die Strahlungsquelle aktiviert und das Halbzeuges auf Schmelztemperatur des Matrixmetalles erhitzt und das Halbzeug aufgeschaumt wird. dass nach einer definierten Zeitspanne die weitere Energiezufuhr zur Strahlungsquelle verringert bzw.

unterbrochen wird und dass der Metallschaum durch Wärmeabfuhr, insbes. an die Form und über Abstrahlung durch die Infrarot-durchlässige Form abgekühlt wird und nach dem Erstarren der Schaumteil der Form entnommen wird. In der DE 197 17 894 ist eine Variante zur Herstellung von pulvermetallurgischem Halbzeug beschrieben worden, bei welchem bereits in einem ersten Kompaktierungsschritt schäumfähiges Halbzeug hergestellt wird, dies allerdings unter Anwendung von wesentlich höheren Drücken. Im Rahmen der Erfindung kann auch ein nach diesem Verfahren hergestelltes Halbzeug eingesetzt werden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und aus der Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Die Figur 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der Erfindung, die Figur 2 veranschaulicht ebenfalls schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel.

In Fig. 1 ist mit 1a und 1b eine zweiteilige Form bezeichnet, deren beide Formhälften längs der Ebene 2 zusammengefügt sind Mit 3 ist die in die Form eingearbeitete Kavität bezeichnet, die in bekannter Weise die Gestalt des Fertigteiles bestimmt, der gemäss dem vorliegenden Beispiel als Kreisscheibe mit elliptischem Querschnitt ausgebildet ist. In die Formkavität 3 ist eine planparallele Scheibe 4 aus Halbzeug eingelegt. Dieses Halbzeug ist in an sich bekannter Weise pulvermetallurgisch hergestellt. Ausgangsprodukte bei der Herstellung eines solchen Halbzeuges ist Pulver aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, das mit einem Treibmittelpulver, z. B Titanhydrid-Pulver gemischt wird.

Anschliessend wird das Pulvergemisch zum Beispiel durch kaltisostatisches Pressen kompaktiert und dann durch Strangpressen oder Walzen in die Form eines Bleches gebracht aus welchem schliesslich die Halbzeugscheibe ausgestanzt wird. Die beiden Formhälften 1a und 1b sind aus hitzebeständigem und schockfestem Glas hergestellt und zumindest an den Begrenzungsflächen der Kavität 3 beispielsweise mit Bor-Nitrid beschichtet, um

eine Schädigung der Glasoberfläche durch die chemisch ausserordentlich aggressive Metallschmeize zu vermeiden. Den beiden Formhälften 1a und 1b liegen Infra-Rot-Strahler 5 und 6 unmittelbar gegenüber.

Die bei Einschaltung der Strahler von diesen ausgehende intensive Infra-
Rot-Strahlung (in der Zeichnung schematisch durch die Pfeile 7 angedeutet) durchdringt die aus Glas hergestellten Formhälften und heizt die Halbzeugscheibe 4 in kurzer Zeit auf, bis das Halbzeug aufschmilzt. Gleichzeitig kommt es zur Dissoziation des in das Halbzeuges eingelagerten Treibmittels, wobei Wasserstoff freigesetzt wird, der die Metallschmelze zum Aufschäumen bringt.

Der flussige Metallschaum füllt die Formkavität 4 und erstarrt unter Bildung einer Gusshaut an der
Formoberfläche, da diese eine deutlich niedere Temperatur aufweist Sobald das Halbzeug zum Aufschäumen gekommen ist wird die Energiezufuhr zu den Strahlem 5 und 6 unterbrochen oder reduziert oder es wird die Form aus dem Strahlungsbereich der beiden Strahler 5 und 6 gebracht Der in der Formkavität befindliche Metallschaum kühlt durch Abstrahlung und Wärmeleitung rasch ab und verfestigt sich in kurzer Zeit so weit, dass die Form geöffnet und der Teil ausgestossen werden kann Nach Einlegen einer neuen Halbzeugscheibe 4 kann der nächste Zyklus gestartet werden
In der Figur 2 ist eine Variante zu der oben beschriebenen Einrichtung gezeigt :

Die Form ist in diesem Beispiel ebenfalls zweiteilig, es ist aber nur die obere Formhälfte 8 aus Glas hergestellt, während die untere Formhälfte 9 aus Metall oder Keramik gefertigt ist. Wesentlich ist hierbei, dass die Matenalauswahl so getroffen wird, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Formteile 8 und 9 weitgehend übereinstimmen, so dass es entlang der Teilungsebene 10 zu keinen Relativbewegungen kommt und ein Versatz in der Kontur des Fertigteiles vermieden wird.. In die beiden Formhälften ist eine Kavität 11 eingearbeitet, in welcher eine Halbzeugplatte 12 angedeutet ist In Bohrungen der unteren Formhälfte sind Heizelemente 13 angeordnet, es kann auch erforderlich sein. Kühlkanäle vorzusehen, um eine exakte Temperaturführung dieses Formteiles zu gewährleisten.

Zur Temperaturüberwachung dieses Formteiles ist ein Temperaturmessgerät 15 mit einem Sensor 14 vorgesehen Der oberen Formhälfte 8 liegt ein Infra-Rot-Strahler 16 gegenüber, dessen Strahlung schematisch durch die Pfeile 17 angedeutet ist.

Die Funktion der Einrichtung ist wie folgt. die untere Formhälfte 9 wird auf eine Temperatur aufgeheizt, welche deutlich unter der Schmelztemperatur des Matrixmetalls des Halbzeuges liegt.

Nach Schliessen der Form durch Aufsetzen der oberen Formhälfte 8 wird der Strahler 16 eingeschaltet Die intensive Infra-Rot-Strahlung heizt das Halbzeug 12 in kurzer Zeit bis zum Aufschmeizen auf, ohne dass sich die Glasform 8 wesentlich erwärmt. Unmittelbar nach dem Aufschmelzen und damit auch Aufschäumen des Halbzeuges 12 wird die Energiezufuhr zum Strahler 16 unterbrochen Die Abkühlgeschwindigkeit des Metallschaums in der Formkavität kann durch eine entsprechende Temperaturführung insbes. der unteren Formhälfte 9 beeinflusst werden.

Die Erfindung ist nicht auf die oben angeführten Beispiele beschränkt Um eine möglichst hohe Absorption der Infra-Rot-Strahlung zu erzielen wird in einer Ausgestaltung der Erfindung die Oberfläche des Halbzeuges zumindest in dem Bereich, welcher in der Form dem für die Strahlung durchlässigen Formteil gegenüberliegt z. B durch Schwarzanodisieren geschwärzt und vorzugsweise aufgerauht oder mattiert. In einer weiteren Ausführungsform ist eine Prozess- Regel- bzw. -Steuereinrichtung vorgesehen ist, welche die von der Strahlungsquelle 5, 6 bzw. 16 der Form bzw. dem Halbzeug 4 bzw. 12 zugeführte Energie beeinflusst.

Vorteilhaft umfasst diese Prozessregeleinrichtung einen nicht dargestellten Sensor für das Aufschäumen des Halbzeuges 4 bzw. 12 auf, wobei der Prozessregier nach Ansprechen des Schaumsensors" nach einer definierten Zeitspanne die weitere Energiezufuhr durch Strahlung verringert bzw. unterbricht
Vorteilhaft ist der für die Strahlung der Strahlungsquelle durchlässige Formteil 1 a, 1 b bzw. 8 aus Glas bzw Glaskeramik hergestellt, wobei die die Formkavität 3 bzw. 11 bestimmende Seite dieses Formteiles mit einer Schutzschicht versehen ist, die gegen das schmelzflüssige Halbzeug 4 bzw.

12 resistent und für die Strahlung der Strahlungsquelle durchlässig ist. Diese Schutzschicht kann durch Aufdampfen, chemische Beschichtung oder Sputtem mit Metalioxyden, Nichtmetallen oder keramischen Verbindungen z. B Kohlenstoff oder Bor-Nitrid auf das Glas bzw. die Glaskeramik aufgebracht werden.

In der Ausführungsform gemäss der Figur 2 ist die Form 8, 9 im wesentlichen zweiteilig ausgebildet, wobei jeder Formteil eine Seite des Metallschaumteiles definiert und ein Formteil 8 für die Strahlung der Strahlungsquelle 16 durchlässig ist, während der andere Formteil 9 für diese Strahlung undurchlässig ist. Der letztere kann aus einem Metall oder einer Keramik bestehen, wobei die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Formhälften in etwa übereinstimmen sollen.

Vorteilhaft weist der zweite Formteil 9, welcher für die Strahlung der Strahlungsquelle 16 undurchlässig ist, eine Heizung 13 zur Regulierung des Wärmehausha ! tes auf.

Besonders günstige Betriebsergebnisse werden mit Strahlungsquellen 5, 6 bzw. 16 erzielt, die ihr Emissionsmaximum im Bereich von 800 bis 3000, vorzugsweise im Bereich von 800 bis 1200 Nanometer aufweisen.

In einer weiteren, in der Zeichnung nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist die Form von einem dichten Gehäuse umschlossen, welches für die Strahlung der Strahlungsquelle durchlässige Fenster aufweist, die einerseits der Strahlungsquelle und andererseits den für die Strahlung durchlässigen Formteilen gegenüber liegen, wobei das Gehäuse mit einer Vakuumpumpe oder dgl. verbunden ist. Mit Hilfe der Vakuumpumpe kann eine Entlüftung der Form erzielt und der Druck im Forminneren reduziert werden.

Patentansprüche :
1. Verfahren zum Herstellen von Metallschaumteilen nach dem pulver-metallurgischem
Verfahren, gemäss welchem ein Pulver eines Matrixmetalls, zB. Aluminium mit einem
Treibmittelpulver, zB. Titanhydrid gemischt und anschliessend, zum Beispiel durch kalt- isostatisches Pressen (C) Pen), kompaktiert und durch Strangpressen, Walzen od. dgl weiter verdichtet und zu einem vorzugsweise dünnwandigen, flächigen oder rohrförmigen
Halbzeug umgeformt wird, welches Halbzeug schliesslich, insbes.

in einer Form, durch
Erwärmen des Halbzeuges auf die Schmelztemperatur des Matrixmetalles und
Dissoziation des Treibmittels zum Aufschäumen gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug in eine Form eingebracht wird, die zumindest teilweise aus einem Material besteht, welches für kurzweilige elektromagnetische Wellen, insbes.

Infrarotstrahlung nahe dem sichtbaren Bereich gut durchlässig ist, worauf die das Halbzeug enthaltende Form im
Strahlungsbereich einer Strahlungsquelle angeordnet und so positioniert wird, dass sich das
Halbzeug im wesentlich in dem Bereich der Form befindet, in welchem diese für die
Strahlung der Strahlungsquelle durchlässig ist, dass in einem weiteren Verfahrensschritt die
Strahlungsquelle aktiviert und das Halbzeuges auf Schmelztemperatur des Matrixmetalls erhitzt und das Halbzeug aufgeschäumt wird, dass nach einer definierten Zeitspanne die weitere Energiezufuhr zur Strahlungsquelle verringert bzw. unterbrochen wird und dass der
Metallschaum durch Wärmeabfuhr, insbes. an die Form und über Abstrahlung durch die
Infrarotdurchlässige Form abgekühlt wird und nach dem Erstarren der Schaumteil der
Form entnommen wird.

Claims

2. Verfahren zum Herstellen von Metallschaumteilen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Halbzeuges zumindest in dem Bereich, welcher in der Form dem für die Strahlung durchlässigen Formteil gegenüberliegt z. B durch Schwarzanodisieren geschwärzt und vorzugsweise aufgerauht oder mattiert wird.

3. Vorrichtung zum Herstellen von Metallschaumteilen nach einem Verfahren gemäss einem der Patentansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlungsquelle (5, 6 bzw. 16) für kurzwellige elektromagnetische Wellen, insbes. für Infrarot-Strahlung nahe dem sichtbaren Bereich, vorgesehen ist, welche der Form (1a, 1b bzw. 8, 9) unmittelbar gegenüberliegt wobei die Form (1a, 1b bzw. 8) zumindest teilweise aus einem Material hergestellt ist, welches für die Strahlung der Strahlungsquelle gut durchlässig ist und das Halbzeug (4 bzw.

12) im wesentlich in dem Bereich der Form angeordnet ist, in welchem diese für die Strahlung der Strahlungsquelle durchlässig ist und vorzugsweise so orientiert ist, dass seine grösste projizierende Fläche im wesentlichen normal auf die Strahlungsrichtung der Strahlungsquelle gerichtet ist und dass ferner eine Prozess- Regel- bzw -Steuereinrichtung vorgesehen ist, welche die von der <Desc/Clms Page number 4> Strahlungsquelle (5, 6 bzw. 16) der Form bzw. dem Halbzeug (4 bzw. 12) zugeführte Energie beeinflusst und die einen Sensor für das Aufschäumen des Halbzeuges (4 bzw. 12) umfasst, wobei der Prozessregler nach Ansprechen des Schaumsensors" nach einer definierten Zeitspanne die weitere Energiezufuhr durch Strahlung verringert bzw unterbricht.

4. Vorrichtung zum Herstellen von Metallschaumteilen nach Patentanspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der für die Strahlung der Strahlungsquelle durchlässige Formteil (1ab bzw. 8) aus Glas bzw. Glaskeramik besteht, wobei vorzugsweise die die Formkavität (3 bzw. 11) bestimmende Seite dieses Formteiles mit einer Schutzschicht versehen ist, die gegen das schmelzflüssige Halbzeug (4 bzw. 12) resistent und für die Strahlung der Strahlungsquelle durchlässig ist.

5. Vorrichtung zum Herstellen von Metallschaumteilen nach Patentanspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der aus Glas bzw. Glaskeramik bestehende Formteil, vorzugsweise durch Aufdampfen, chemische Beschichtung oder Sputtem mit Metalloxyde, Nichtmetallen oder keramischen Verbindungen z B Kohlenstoff oder Bor-Nitrid beschichtet ist.

6. Vorrichtung zum Herstellen von Metallschaumteilen nach einem der Patentansprüche 3 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Form (8, 9) im wesentlichen zweiteilig ausgebildet ist, wobei jeder Formteil eine Seite des Metallschaumteiles definiert und ein Formteil (8) für die Strahlung der Strahlungsquelle (16) durchlässig ist, während der andere Formteil (9) für diese Strahlung undurchlässig ist und vorzugsweise aus einem Metall oder einer Keramik besteht dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient dem des Materials des ersten Formteiles entspricht. (Fig. 2).

7. Vorrichtung zum Herstellen von Metallschaumteilen nach Patentanspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Formteil (9), welcher für die Strahlung der Strahlungsquelle (16) undurchlässig ist, eine Heizung (13) zur Regulierung des Wärmehaushaltes aufweist.

8. Vorrichtung zum Herstellen von Metallschaumteilen nach Patentanspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (5, 6 bzw. 16) ihr Emissionsmaximum im Bereich von 800 bis 3000, vorzugsweise im Bereich von 800 bis 1200 Nanometer aufweist.

9. Vorrichtung zum Herstellen von Metallschaumteilen nach einem der Patentansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Form von einem dichten Gehäuse umschlossen ist, welches für die Strahlung der Strahlungsquelle durchlässige Fenster aufweist, die einerseits der Strahlungsquelle und andererseits den für die Strahlung durchlässigen Formteilen gegenüber liegen, wobei das Gehäuse mit einer Vakuumpumpe oder dgl. verbunden ist, welche der Entlüftung der Form und dem Absenken des Gasdruckes in derselben dient.