AT411532B - Vorrichtung und verfahren zur herstellung von metallschaum - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einbringen von Gas in eine Schmelze aus schäumbarem Metall mittels mindestens eines Rohres zur Herstellung von Metallschaum, wobei das Gaseintragsrohr vorspringend in die Schmelze einragt und am einragenden Ende einen Gasaustrittsquerschnitt mit einer Fläche von 0,006 bis 0,2 mm2 sowie eine Rohrstirnfläche von kleiner 4,0 mm2 besitzt.

Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Metallschaum durch Einblasen von Gas in eine schäumbare Metallschmelze, wobei eine Gleichmäßigkeit des Durchmessers bzw. der Größe der jeweiligen Einzelblasen und die Größe der Gasblasen durch eine geometrische Düsengestaltung und eine Einstellung der Einströmparameter des Gases in die Metallschmelze gesteuert werden.

Ferner umfasst die Erfindung einen Metallschaumkörper mit räumlich gleichmäßig verteilten, von einer festen Wand umschlossen Poren, wobei die Wand aus einer metallischen Matrix und in dieser eingelagerten Partikeln besteht.

Bei der Entwicklung neuer Komponenten für den Fahrzeugbau, insbesondere für den Automobilbau, sowie für den Flugzeugbau werden mit zunehmender Tendenz geschäumte Materialien geringer Dichte eingesetzt. Durch einen Einsatz derartiger Materialien können beispielsweise einerseits bislang ausschließlich aus vollständig dichten Materialien gefertigte Komponenten bzw. Bauteile für Transportmittel durch Verbundteile aus jeweils einem gänzlich dichten Außenteil und einem geschäumten Innenteil ersetzt werden, wodurch eine Gewichtsverringerung der genannten Transportmittel und damit eine Reduktion des Kraftstoffverbrauches beim Betrieb derselben erreichbar ist. Andererseits können bisher hohl ausgeführte Komponenten bzw. Bauteile bei alternativer Ausführung als Verbundteil mit einem hohlraumfüllenden geschäumten Kemelement geringer Dichte verstärkt werden und dadurch unter bestimmten Umständen ein beträchtlich erhöhtes Beanspruchungspotential aufweisen.

In beiden vorstehend angeführten Anwendungsfällen ist eine Voraussetzung für den Einsatz geschäumter Stoffe mit geringem spezifischen Gewicht in der Herstellung von Transportmittelbauteilen, dass die Materialien neben geringer Dichte ausreichend gute Materialeigenschaften aufweisen, so dass im ersten Fall trotz Ersatz von dichten Stoffen den Anforderungen der Transportmittelindustrie an die mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit und Steifigkeit der jeweiligen Bauteile Genüge getan ist und im zweiten Fall die Gewichtssteigerung und damit vermehrter Kraftstoffverbrauch im Betrieb durch eine zumindest signifikante Erhöhung der Beanspruchbarkeit wie Verbesserung des Verformungswiderstandes bei Stoßeinwirkung der Bauteile gerechtfertigt ist.

Metallschäume sind Materialien, die diese Voraussetzung hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften grundsätzlich erfüllen können. Zur Erstellung von Bauteilen mit größter Beanspruchbarkeit der Teile werden Metallschäume mit einem hohen Maß an Gleichmäßigkeit bzw. Homogenität der Poren und ihrer räumlichen Verteilung gefordert, weil durch eine möglichst isotrope Ausbildung solcherart ein Schaumkörper sowohl punktuell als auch flächig bei verringerter Gefahr eines Schadhaftwerdens belastet bzw. in andererWeise mechanisch beansprucht werden kann.

Diesbezüglich ist, um eine möglichst hohe Isotropie und eine gezielte Einstellung der Eigenschaften von Metallschäumen zu erreichen, zur schmelzmetallurgische Herstellung solcher Schäume, bei welcher eine aufschäumbare Metallschmelze durch Gaseintrag in dieselbe Schmelze aufgeschäumt wird, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen worden. Mit einer Vorrichtung dergestalt können bei einem Aufschäumen einer partikelhältigen Metallschmelze, eines sogenannten flüssigen Verbundstoffmaterials, gewünschte und stabile Gasblasenablösekriterien hinsichtlich der in die Schmelze eingebrachten Gasblasen geschaffen werden, welche im wesentlichen gleich hohes Einzelblasenvolumen und demgemäß gebildeten Metallschaum ergeben. Eine Bereitstellung von hochwertigem Metallschaum wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art ermöglicht.

Wenngleich mit einer Vorrichtung der vorstehend genannten Art vorzügliche Ergebnisse im Einzelversuch und im Kleinserienbetrieb betreffend eine Gleichmäßigkeit der Gasblasenvolumina erhalten werden, so wurde nun bei Versuchen zur Machbarkeit der Bereitstellung von Metallschaum für eine Großserienproduktion von Bauteilen und Verbundteilen für die Fahrzeugindustrie festgestellt, dass während eines dauerhaften Betriebes die Geometrie der Vorrichtung durch Schmelzenangriff bzw. Reaktion der Vorrichtung mit einer Schmelze verändert werden kann, wodurch eine Sicherstellung stabiler Gasblasenablösekriterien im Dauerbetrieb nicht mehr gegeben 2

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Des weiteren wurde bei einem Durchführen eines kontinuierlichen Aufschäumen nach einem eingangs genannten Verfahren gefunden, dass es insbesondere bei geringen Partikelgehalten der Schmelzen in einem geringen Maße zu einem Aufplatzen von über der Schmelzenoberfläche befindlichen, partikel- und metallbehafteten Blasen kommen kann. Dadurch können sich im fließfähigen Metallschaum Blasen vereinigen, so dass ein erstarrter Metallschaum größere aus zwei oder mehr Einzelblasen gebildete Poren aufweisen kann, welche Poren Ausgangspunkt für ein Materialversagen bei mechanischer Beanspruchung, insbesondere bei einer hohen punktuellen Druckbeanspruchung, sein können.

Die Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, die vorstehend genannten Nachteile zu beseitigen und eine Vorrichtung zu schaffen, mit welcher auch im Dauerbetrieb über lange Zeitspannen stabile Gasblasenablösekriterien beim Aufschäumen einer Metallschmelze erreicht werden können.

Weiters setzt sich die Erfindung zum Ziel, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass ein teilweises Aufplatzen von Blasen im gebildeten fließfähigen Metallschaum weitestgehend verhindert wird. Schließlich setzt sich die Erfindung zum Ziel, einen Metallschaum anzugeben, welcher sowohl hoher flächiger als auch hoher punktueller mechanischer Belastung standhält.

Die Aufgabe, eine Vorrichtung zu schaffen, mit welcher auch im Dauerbetrieb über lange Zeitspannen stabile Gasblasenablösekriterien beim Aufschäumen einer Metallschmelze erreicht werden können, wird dadurch gelöst, dass bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung das Gaseintragsrohr zumindest im Bereich des einragenden Endes aus einer Keramik besteht.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass bei erfmdungs-gemäßer Ausbildung der Vorrichtung die Geometrie derselben auch bei langanhaltendem Kontakt mit einer zumindest mehreren hundert Grad Celsius heißen Metallschmelze im Wesentlichen unverändert bleibt, weshalb auch bei oftmaliger Verwendung der Vorrichtung über lange Zeitspannen beim Aufschäumen von Metallschmelzen stabile Gasblasenablösekriterien erzielt werden können. Die hohe Formstabilität und lange Verwendungsdauer der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Schmelzenkontakt ermöglicht es nunmehr, Metallschäume gleichbleibend hoher Qualität im Dauerbetrieb ohne Reparatur bzw. Austausch einer Vorrichtung bereitzustellen. Dabei nützt die Erfindung die Erkenntnis aus, dass die aus Keramik gebildeten Teile der Vorrichtung, gegebenenfalls die gesamte Vorrichtung, bei Vergleich mit bisher verwendeten stahlgefertigten Einrichtungen mit Metallschmelzen signifikant langsamer reagieren und dabei gleichzeitig bei gleicher Geometrie ebenfalls die Ausbildung eines hydrophoben Systems bezüglich einer Gasblasenausbildung beim Eintrag von Gas in die Schmelze ermöglichen.

Eine besonders hohe Reaktionsträgheit und damit vorzügliche Gebrauchseigenschaften werden bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielt, wenn die Keramik eine Oxidkeramik, insbesondere eine Aluminiumoxidkeramik, ist.

Das Ziel der Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren derart weiterzubilden, dass ein teilweises Aufplatzen von Blasen weitestgehend verhindert wird, wird dadurch erreicht, dass das Gas mindestens in einem Abstand S (in Millimeter) gemäß S=11.5+ 144.6/P055, wobei P der Zahlenwert des Partikelgehaltes der Schmelze in Vol.-% ist, unterhalb der Schmelzenoberfläche eingeblasen wird.

Die durch die erfindungsgemäße Werterbildung erzielten Vorteile liegen vor allem darin, dass durch das Vorsehen einer erfindungsgemäßen Steighöhe die in die aufzuschäumende Metallschmelze eingebrachten Gasblasen beim Aufsteigen an die Schmelzenoberfläche einen Mindestweg in der partikelhältigen Schmelze zurücklegen müssen, auf welchem Weg an den Oberflächen der Gasblasen jeweils genügend Partikel angesammelt werden können, um die Blasen, sobald sie die Schmelzenoberfläche durchquert haben, gegen ein Aufplatzen zu stabilisieren. Insbesondere können dadurch auch aufschäumbare Metallschmelzen mit niedrigem Partikelgehalt, beispielsweise von zwei Volumsprozent, nunmehr auf einfache Weise in stabile Metallschäume hoher Güte zu überführt werden, indem gemäß der Erfindung eine entsprechend große Steighöhe vorgesehen wird. 3

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Wenn, wie weiters gefunden wurde, ein sauerstoffhaltiges Gas, vorzugsweise Luft, insbesondere im Wesentlichen reiner Sauerstoff, eingeblasen wird, können in überraschender Weise die vorteilhaften Wirkungen einer auf den Partikelgehalt der Schmelze abgestimmten Gasblasen-Mindeststeighöhe erhöht werden, weil an der Oberfläche der partikel- und metallbehafteten Gasblase gleichzeitig eine verstärkend wirkende Oxidschicht ausgebildet wird.

Das weitere Ziel der Erfindung, einen Metallschaumkörper anzugeben, welcher sowohl hoher flächiger als auch hoher punktueller mechanischer Belastung standhält, wird dadurch erreicht, dass bei einem Metallschaum der eingangs genannten Art die Poren im Wesentlichen sphärisch und/oder ellipsoid geschlossen ausgeformt sind, wobei die jeweils größten Durchmesser der Poren monomodal verteilt sind und die Poren im Wesentlichen aus einzelnen stabilisierten Blasen gebildet sind und dass die Wandinnenoberflächen zumindest teilweise mit einem Oxid überzogen sind.

Ein erfindungsgemäßer Metallschaumkörper weist bei einer hinsichtlich der Isotropie mechanischer Eigenschaften günstigen monomodalen Größenverteilung von räumlich gleichmäßig verteilten Poren zusätzlich eine oxidverstärkte Porenwandstruktur auf, wodurch erhöhte Belastbarkeit im Gebrauch erzielt werden kann bzw. eine Verwendungsdauer von Bauteilen mit einer Metallschaumeinheit gesteigert werden kann. Aufgrund einer Ausbildung der Poren dergestalt, dass die Poren im Wesentlichen einzelnen, stabilisierten Blasen eines fließfähigen Metallschaumes entsprechen, eignet sich ein erfindungsgemäßer Metallschaumkörper zum Gebrauch in Bauteilen nicht nur bei hoher flächiger Belastung, sondern auch vorzüglich bei hoher punktförmig auftretender Belastung.

Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug zu Abbildungen beispielhaft noch näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1: Die Abhängigkeit der erfindungsgemäß vorgesehenen Mindeststeighöhe vom Partikelgehalt der Schmelze.

Fig. 2: Die Porengrößenverteilung eines erfindungsgemäßen Metallschaumkörpers.

In umfangreichen Versuchsreihen wurden verschiedene jeweils partikelhältige Aluminiumlegierungen, beispielsweise AISi7Mg, eine auch als A 356 bekannte Aluminiumlegierung mit, neben Aluminium, im Wesentlichen 7 Gew.-% Silicium und 1 Gew.-% Magnesium, oder beispielsweise AA6061 (Aluminiumlegierung mit einer Zusammensetzung gemäß Normung Aluminium Association Nummer 6061), in einem Schmelztiegel aufgeschmolzen, wobei eine Einstellung des Partikelgehaltes in der Schmelze gegebenenfalls durch Beimengen einer in der chemischen Zusammensetzung entsprechenden, partikelfreien Legierung erfolgte. Anschließend wurde in die partikelhälti-gen Schmelzen Gas eingetragen. Der Eintrag erfolgte in allen Versuchen jeweils über einen einzelnen Düsenkörper mit einer Austrittsöffnung, wobei Düsenkörper aus Chrom-Nickel-Stahl und aus Keramik zum Einsatz kamen.

In einer ersten Versuchsreihe wurde die Haltbarkeit verschiedener Düsenkörper untersucht. Bei Durchführung von jeweils fünf Aufschäumversuchen über Zeiträume von 20 Sekunden bis zu 45 Minuten mit Chrom-Nickel-Stahldüsen einerseits und mit Aluminiumoxiddüsen andererseits konnte bei den Stahldüsen, die länger als circa 2 Minuten in Gebrauch waren, optisch eine Veränderung der Form der Gasaustrittsöffnung durch Schmelzenangriff festgestellt werden. In dementsprechender Übereinstimmung wies der zu Beginn und am Ende des Aufschäumverfahrens erstellte und von der Schmelzenoberfläche abgenommene Metallschaum verschiedene Porendurchmesser auf. Im Gegensatz dazu waren bei den aus Aluminiumoxid bestehenden Düsenkörper selbst bei einem kontinuierlichen Einsatz über 45 Minuten keine derartigen Veränderungen der Geometrie sichtbar. Demgemäß konnte über den gesamten Versuchszeitraum Metallschaum mit gleichwertigen Poreneigenschaften erstellt werden. Auch andere keramische Materialien, wie Si02 oder S1O2/AI2O3, können mit Vorteil gegenüber Stählen verwendet werden; höchste Gebrauchsdauer wird vergleichsweise aber mit Düsenkörpern aus Al203 erzielt.

In einer zweiten Versuchsreihe wurde mit Düsenkörpern aus Aluminiumoxid bei fixiertem Partikelgehalt P der Schmelze die Steighöhe S des eingebrachten Gases variiert und die Qualität der bei verschiedenen Gaseinbringtiefen gebildeten Metallschäume untersucht. Dabei zeigte sich mit Bezug auf Figur 1 folgendes Verhalten: Bei geringem Partikelgehalt P der Schmelze, beispielsweise 2 Vol.-%, kann bei einer niedrigen Steighöhe S Metallschaum gebildet werden, in dem, bei querschnittlicher Betrachtung, Poren vorhanden sind, die aus zumindest zwei Blasen gebildet sind. Solche Poren sind einfach daran erkennbar, dass sie ellipsoid-länglich mit einem hohen Verhältnis 4

Claims (5)

1. AT 411 532 B der längeren zur kürzeren Achse ausgebildet sind. Ein derartiges Verhalten ist bei den untersuchten Partikelgehalten im Steighöhenbereich A der Figur 1 anzutreffen. Sobald jedoch die Steighöhe S bei einem gegebenen Partikelgehalt P nicht mehr im Bereich A der Figur 1 zu liegen kommt, sondern derart erhöht wird, dass sie in Bereich B fällt, kann ein Metallschaum erstellt werden, bei dem die Blasen aufgrund des erhöhten Steigweges genügend Partikel an der Oberfläche aufsammeln können, um gegenüber einem Aufplatzen im flüssigen Metallschaum stabilisiert zu werden. Die experimentell ermittelten notwendigen Steighöhen zur im Wesentlichen vollständigen Blasenstabilisierung sind in Figur 1 für verschiedene Partikelgehalte in der Form von Dreiecken eingetragen. Die den Bereich A und Bereich B trennende Linie stellt eine an die Experimentaldaten angepaßte Ausgleichskurve der allgemeinen Form Y = a + Xb dar. Bei Einhaltung der Mindeststeighöhe wurden beim Metallschaum im Querschnitt zu mehr als 95 %, teilweise zu mehr als 99 %, Poren festgestellt, die zu einzelnen Gasblasen korrespondieren. Figur 2 zeigt die Porengrößenverteilung eines Metallschaumes, der unter Einhaltung der erfindungsgemäßen Aufschäumbedingungen erstellt wurde. Wie anhand des Histogrammes in Figur 2 ersichtlich, ist bei einer monomodalen Verteilung der Porengrößen bei einem mittleren Wert von 4 Millimeter der Anteil von Poren mit ca. 6 Millimeter anteilsmäßgig nur geringfügig höher als jener mit 2 Millimeter, das heißt, die Porengrößen sind zu beiden Seiten eines Mittelwertes in annähernd gleichem Ausmaß bzw. dergleichen Häufigkeit verteilt. In einer dritten Versuchsreihe wurden die Auswirkungen des eingeblasenen Gases auf die Materialzusammensetzung und die Materialeigenschaften studiert. Dabei hat sich im Rahmen sekundärelektronischmikroskopischer (SEM) Untersuchungen unerwartet gezeigt, dass bei Verwendung von sauerstoffhältigen Gasen, wie kostengünstiger Luft, an den Porenoberflächen in Teilbereichen eine zusätzliche Schicht aus einem Oxid ausbildet ist. Die Oxidschicht wirkt auf den Metallschaum verstärkend, wie eine 5 bis 7 prozentige Erhöhung der zur Kompression von erfindungsgemäßen Metallschaumkörpern auf halbes Volumen notwendigen Verformungsenergie zeigte. Eine weiter erhöhte Steigerung derselben Verformungsenergie von insgesamt ca. 10 % wurde bei der Verwendung von reinem Sauerstoff als Aufschäumgas beobachtet. Solchenfalls sind, wie mittels SEM Aufnahmen gezeigt werden konnte, die Wandinnenoberflächen im Wesentlichen vollständig, d.h. zumindest zu 90 %, mit einer Oxidschicht überzogen. PATENTANSPRÜCHE: 1. Vorrichtung zum Einbringen von Gas in eine Schmelze aus schäumbarem Metall mittels mindestens eines Rohres zur Herstellung von Metallschaum, wobei das Gaseintragsrohr vorspringend in die Schmelze einragt und am einragenden Ende einen Gasaustrittsquerschnitt mit einer Fläche von 0,006 bis 0,2mm2 sowie eine Rohrstirnfläche von kleiner 4,0 mm2 besitzt, gemäß Patent 410104, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaseintragsrohr zumindest im Bereich des einragenden Endes aus einer Keramik besteht.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik eine Oxidkeramik, insbesondere eine Aluminiumoxidkeramik, ist.
3. 3. Verfahren zur Herstellung von Metallschaum durch Einblasen von Gas in eine schäumbare Metallschmelze, wobei eine Gleichmäßigkeit des Durchmessers bzw. der Größe der jeweiligen Einzelblasen und die Größe der Gasblasen durch eine geometrische Düsengestaltung und eine Einstellung der Einströrnparameter des Gases in die Metallschmelze gesteuert werden, gemäß Patent 410104, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas mindestens in einem Abstand S (in Millimeter) gemäß S=-11.5+144.6/P0 55, wobei P der Zahlenwert des Partikelgehaltes der Schmelze in Vol.-% ist, unterhalb der 5 AT 411 532 B Schmelzenoberfläche eingeblasen wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein sauerstoffhaltiges Gas, vorzugsweise Luft, insbesondere im Wesentlichen reiner Sauerstoff, eingeblasen wird.
5. 5. Metallschaumkörper mit räumlich gleichmäßig verteilten, von einer festen Wand umschlos- 5 sen Poren, wobei die Wand aus einer metallischen Matrix und in dieser eingelagerten Par tikeln besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren im Wesentlichen sphärisch und/oder ellipsoid geschlossen ausgeformt sind, wobei die jeweils größten Durchmesser der Poren monomodal verteilt sind und die Poren im Wesentlichen aus einzelnen stabilisierten Blasen gebildet sind und dass die Wandinnenoberflächen zumindest teilweise mit 10 einem Oxid überzogen sind. HIEZU 1 BLATT ZEICHNUNGEN 15 20 25 30 35 40 45 50 6 55