AT413344B

AT413344B - Verfahren zur herstellung von metallschaumkörpern

Info

Publication number: AT413344B
Application number: AT0003303A
Authority: AT
Inventors: Richard Dipl Ing Kretz; Karin Dr Renger; Gottfried Rettenbacher; Anton Hinterberger
Original assignee: Arc Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen Gmbh
Priority date: 2003-01-13
Filing date: 2003-01-13
Publication date: 2006-02-15
Also published as: MXPA05007507A; US7396380B2; WO2004063406A2; BR0317993A; ATA332003A; CA2513178A1; CN1738919A; JP2006513319A; WO2004063406A3; EP1592818A2; AU2003287755A1; US20060150771A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metallschaumkörpers, wobei eine gashaltige Schmelze erstellt wird und die Schmelze unter Ausbildung eines Metallschaumkörpers erstarren gelassen wird. 5 Als Metallschaumkörper werden poröse Gegenstände bezeichnet, bei welchen gasgefüllte Poren in einer festen Matrix eingebettet sind, welche aus Metall besteht oder zumindest einen überwiegenden Gewichtsanteil an Metall aufweist. Die eingebetteten Poren sind in der Regel sphärisch und/oder ellipsoid ausgeformt und durch Wände aus Matrixmaterial voneinander getrennt. Herstellungsabhängig können Metallschaumkörper in Bereichen äußerer Oberflächen io im Wesentlichen dicht bzw. porenfrei ausgebildet sein. Solchenfalls ist bei einem Metallschaumkörper ein poröser innerer Teil wenigstens teilweise von einer dichten Außenschicht bzw. einer dichten Haut umgeben. Für Metallschaumkörper ergibt sich auf Grund einer verfahrenstechnisch erreichbaren hohen 15 Porosität und einer geringen Dichte sowie spezieller, für viele Applikationen vorteilhafter Eigenschaften, beispielsweise gute Schalldämpfung, relativ geringe Wärmeleitfähigkeit im Vergleich mit dichtem Matrixmaterial oder hohes Verformungsvermögen bei Stoßbeanspruchung, ein breites Spektrum an möglichen Anwendungen als leichtgewichtige Funktionsbauteile. 20 Um dieses potentielle Anwendungsspektrum möglichst vollständig ausnutzen zu können, ist es aus wirtschaftlicher und technologischer Sicht wünschenswert, Formkörper aus Metallschaum sowohl mit hoher Qualität als auch möglichst einfach und kostengünstig hersteilen zu können. Als Qualitätskriterien kommen vor allem Formkörper-Dichte, Anzahl, Form, Größe der Poren und Verteilung derselben im Formkörper sowie bei Ausbildung eines Metallschaumkörpers mit 25 einer dichten bzw. porenfreien Außenschicht eine Beschaffenheit von äußeren Oberflächen in Betracht.

Zufolge des erkannt hohen Anwendungspotentiales von Metallschaumkörpern sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden, um Verfahren zu ihrer Herstellung aufzuzei-30 gen, welche die genannten Wunschvorstellungen möglichst erfüllen.

Gemäß dem Stand der Technik sind gegenwärtig mehrere Kategorien von Verfahren geläufig.

Zum Ersten ist bereits vorgeschlagen worden, zellulare bzw. Poren aufweisende metallische 35 Körper durch Beschichten von Gegenständen, beispielsweise mittels elektrochemischer Verfahren, herzustellen. Näher betrachtet werden mit solchen Verfahren Verbundkörper erstellt, welche Verbundkörper aus dichten Substratteilen, die als Beschichtungsgrundlage dienen, und auf diesen Substratteilen abgeschiedenen porösen Metallteilen bestehen. Nachteilig ist bei diesen Verfahren, dass sich mit Beschichtungstechniken grundsätzlich nur geringe Schichtdicken 40 erzielen lassen und somit ein erreichbares Volumen an abgeschiedenen porösen Metall limitiert ist. Auch können sich bei diesen Verbundkörpern Haftprobleme der Art ergeben, dass sich bei Gebrauch die abgeschiedenen Metallschaumteile leicht von den Substratteilen ablösen.

Zum Zweiten sind pulvermetallurgische Verfahren vorgeschlagen worden, beispielsweise in der 45 US 3,087,807, der DE 4 018 360 C1 oder der EP 1 055 470 A1. Bei Verfahren solcherart wird ein Metallpulver mit einem Treibmittelpulver vermengt und das vermengte Pulvermaterial im Zuge eines Umformens oder durch Pressen kompaktiert. Darauffolgend wird das Kompaktmaterial bis zur Abspaltung von Gas vom Treibmittel und einer damit verbundenen Porenbildung im zuvor kompaktierten Material erwärmt. Mit derartigen pulvermetallurgischen Verfahren können so Metallschaumkörper hoher Qualität bereitgestellt werden. Allerdings sind diese Verfahren bezüglich des eingesetzten Materials und der erforderlichen Vorrichtungen äußerst aufwändig, weil eine Herstellung und ein Einsatz wenigstens zweier Pulverkomponenten notwendig ist. Auch müssen die einzelnen Pulverkomponenten vor einem Erwärmen innig vermengt und die Pulverkörner miteinander verschweißt werden, beispielsweise durch heißisostatisches Pressen, 55 um im hergestellten Metallschaumkörper Poren mit einer homogenen Verteilung zu erzielen. 3

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Zum Dritten sind schmelzmetallurgische Verfahren bekannt. Bei diesen Verfahren wird eine aufschäumbare Metallschmelze erstellt und danach ein Gas in die Schmelze eingebracht, wodurch ein fließfähiger Metallschaum erzeugt wird, welcher sich an der Schmelzenoberfläche ansammelt. Der an der Schmelzenoberfläche vorhandene Metallschaum kann, wie in der EP 666 784 B offenbart, auf Grund seiner Fließfähigkeit durch vorsichtiges Pressen unter Aufrechterhaltung der Porenstruktur zu Formkörpem verarbeitet werden. Nachteilig ist bei diesen schmelzmetallurgischen Verfahren, dass eine Metallschmelze in reinem Zustand nicht auf-schäumbar ist. Zum Zweck der Erzielung einer Aufschäumbarkeit muß vor einer Durchführung des Aufschäumens die Schmelze mit einem viskositätssteigernden Mittel versetzt werden, wie z.B. aus KR 20020034327 entnehmbar; als viskositätssteigernde Mittel können beispielsweise Inertgas (GB 1,287,994), oder Keramikpartikel (EP 0 666 784 B) eingesetzt werden. Weiters ist, wie erwähnt, der an der Schmelzenoberfläche angesammelte Metallschaum fließfähig. Dies ist zwar für eine formgebende Verarbeitung des Metallschaumes günstig, kann aber in Folge mangelnder Stabilisierung der metallischen Wände zu einem partiellen Zusammenfallen des gebildeten Metallschaumes und damit zur einer unkontrollierbaren Ausbildung dichter Zonen im Inneren eines so erstellten Gegenstandes führen.

Im Hinblick auf schmelzmetallurgische Verfahren sind auch Verfahren vorgeschlagen worden, die ohne viskositätsteigernde Zuschlagstoffe durchgeführt werden können. So ist es aus WO 98/11264 oder WO 92/19400 bekannt, dass in einer Metallschmelze unter hohem Druck und bei hohen Temperaturen Wasserstoff gelöst werden kann, welcher auf Grund eines Löslichkeitssprunges bei einer Erstarrung der Schmelze von dieser unter Blasenbildung freigesetzt werden kann. Die Blasen können während der Erstarrung einer Schmelze eingeschlossen werden, wodurch ein poröser metallischer Gegenstand gebildet wird. Mit derartigen Verfahren sind dichte metallische Ausgangsmaterialien unmittelbar in Poren aufweisende Körper umwandelbar, wofür allerdings ein beträchtlicher apparativer Aufwand notwendig ist. Insbesondere werden für eine Wasserstoffeinbringung in eine Schmelze Autoklaven, welche hohen Drücken und hohen Temperaturen standhalten, benötigt. Auch bringt eine Verwendung von Wasserstoffgas bei hohen Drücken und Temperaturen von zumindest einigen hundert Grad ein erhebliches Sicherheitsrisiko für das Bedienungspersonal mit sich. Ferner kann ein Teil der gebildeten Blasen bzw. des gelösten Gases während der Erstarrung einer Schmelze aus dieser austreten, sodass ein Einschluß des freigesetzten Gases in der Schmelze nicht erfolgt und folglich die Porosität der mit diesem Verfahren erstellten Gegenstände gering ist.

Hier setzt die Erfindung an und setzt sich zum Ziel ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben, mit welchem Metallschaumkörper hoher Qualität mit geringem Vorrichtungsaufwand und bei vermindertem Sicherheitsrisiko für das Bedienungspersonal herstellbar sind.

Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art zumindest Teile des Einsatzmaterials vor dem Aufschmelzen in wenigstens eine Verbindung umgewandelt werden, welche im Bereich des und/oder über dem Schmelzintervall desselben mindestens ein im Flüssigmetall lösbares Gas abgibt, wonach das Einsatzmaterial unter Atmosphärendruck geschmolzen und dabei oder darauf folgend Gas in das Flüssigmetall eingebracht wird, worauf das Flüssigmetall in eine Form gebracht und bei zumindest zeitweilig vermindertem Umgebungsdruck erstarren gelassen wird.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass Metallschaumkörper hoher Porosität mit einem geringen apparativen Aufwand und in überraschend einfacher Weise hergestellt werden können. Als besonders vorteilhafte Maßnahme hat sich bei einem erfindungsgemäßen Verfahren erwiesen, dass zumindest Teile des Einsatzmaterials vor dem Aufschmelzen in wenigstens eine Verbindung umgewandelt werden, welche im Bereich des und/oder über dem Schmelzintervall desselben mindestens ein im Flüssigmetall lösbares Gas abgibt. Weil durch diese Maßnahme die porenbildende Komponente, ein Gas, bereits vor einem Aufschmelzen eines Einsatzmaterials in Form einer gasabgebenden Verbindung bereitgestellt werden kann, kann gänzlich auf Vorrichtungsmittel zur Einbringung von Gas in eine Schmelze 4

AT 413 344 B verzichtet werden. Vorteilhaft ist auch, dass eine Umwandlung bei Temperaturen wesentlich unterhalb der Schmelztemperatur eines Metalls erfolgen kann. Dadurch kann ein Gas in gebundener Form bei niedrigen Temperaturen und damit im Effekt energiesparend eingebracht werden. Um in der Folge ein Gas in eine Schmelze einzubringen, ist lediglich ein kurzes Aufheizen 5 von vorbehandeltem Einsatzmaterial bis zur Zersetzungstemperatur einer gasabgebenden bzw. gasabspaltenden Verbindung durchzuführen, wodurch die Verweilzeit in einem Ofen gesenkt und der Materialdurchsatz erhöht wird.

Dabei hat sich gezeigt, dass beim Aufschmelzen eines Einsatzmaterials unter Atmosphären-io druck in einem offenen Schmelzgefäß ohne Überdruckvorrichtungen und einem gleichzeitigen und/oder darauffolgenden Einbringen von Gas in die flüssige Phase des Einsatzmateriales eine ausreichende Gasbeaufschlagung der Schmelze erfolgen kann, um bei der Erstarrung derselben die Ausbildung eines Metallschaumkörpers geringer Dichte bewirken zu können. Diese Wirkung kann gemäß der Erfindung zur Herstellung eines Metallschaumkörpers gewünschter 15 Form dann nutzbringend ausgenutzt werden, wenn das Flüssigmetall zuerst in eine Form gebracht wird und dann in dieser bei zumindest zeitweilig vermindertem Umgebungsdruck erstarren gelassen wird. Durch eine Verfestigung der Schmelze bei vermindertem Umgebungsdruck kommt es in der Schmelze zu einer Ausbildung einer Vielzahl von Gasblasen, welche jedoch auf Grund der einsetzenden bzw. fortschreitenden Erstarrung der Schmelze in dieser einge-20 schlossen werden, weshalb erfindungsgemäß erstellte Metallschaumkörper eine geringe Dichte aufweisen.

Weiters weist ein erfindungsgemäßes Verfahren den Vorteil einer höheren Sicherheit für ein Bedienungspersonal auf, da eine Verwendung von Gasen bei hohen Drücken und hohen Tem-25 peraturen während der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vermieden werden kann.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine Umwandlung von zumindest Teilen des Einsatzmaterials vor dem Aufschmelzen in wenigstens eine Verbindung, welche im Bereich des 30 und/oder über dem Schmelzintervall desselben mindestens ein im Flüssigmetall lösbares Gas abgibt, in einer bevorzugten Weiterbildung durch Kontakt mit einem Gas bzw. Gasgemisch. Von diesbezüglichem Vorteil ist, dass das Ausmaß einer Umwandlung des Einsatzmaterials in oberflächennahen Zonen und damit eine Menge des (der) beim Aufschmelzen eingebrachten Gas(e) über den zugeleiteten Gasstrom und die Behandlungsdauer genau gesteuert werden 35 können.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Umwandlung von zumindest Teilen des Einsatzmaterials vor dem Aufschmelzen in wenigstens eine Verbindung, welche im Bereich des und/oder über dem Schmelzintervall desselben mindestens ein im Flüssigmetall lösbares Gas 40 abgibt, bevorzugt auch durchgeführt werden, indem ein Kontakt mit einem Aerosol erfolgt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Reaktion eines Einsatzmaterials mit einer Flüssigkeit als Reaktionspartner unter großer Wärmefreisetzung verlaufen würde. Mittels eines Aerosols kann zum einen ein Reaktionspartner mit einem Trägergas verdünnt flüssig zugeführt werden und eine hohe lokale Erwärmung eines Einsatzmaterials während einer Umwandlung 45 vermieden werden. Zum anderen bewirkt das Trägergas eine Wärmeabfuhr bzw. eine Kühlung des behandelten Materials.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren kann hinsichtlich einer Umwandlung von zumindest Teilen des Einsatzmaterials vor dem Aufschmelzen in wenigstens eine Verbindung, welche im so Bereich des und/oder über dem Schmelzintervall desselben mindestens ein im Flüssigmetall lösbares Gas abgibt, weiters vorgesehen sein, dass die Verbindung bei einer Temperatur von höchstens 250 °C, vorzugsweise von höchstens 150 °C, über Schmelz- bzw. Solidustemperatur des Metalles Gas(e) abgibt. Dies hat den Vorteil, dass eine Überhitzung des Flüssigmetalls zum Zweck der Abgabe von Gas(en) aus einer Verbindung und damit der Energieaufwand zur Her-55 Stellung eines Metallschaumkörpers gering gehalten werden können. 5

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Formkörper aus Metallschaum hoher Qualität lassen sich in besonders einfacher Weise erstellen, wenn dass Einsatzmaterial aus einem Leichtmetall, insbesondere aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung, gebildet wird, weil diese Metalle durchwegs gute Lösungseigenschaften für Gase aufweisen. Daher läßt sich bei Einsatz von Leichtmetallen in einem erfin-5 dungsgemäßen Verfahren eine hohe Porosität von Metallschaumkörpern erzielen. Höchste Porosität der erstellten Metallschaumkörper mit einfachen Einrichtungen wird erreicht, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Erstarrung des Flüssigmetalls bei einem Umgebungsdruck im Bereich von 0.03 bar bis 0.2 bar erfolgt. Umgebungsdrücke in diesem io ausgewählten Bereich sind verfahrenstechnisch einfach und genau einstellbar und können mit einfachsten Vorrichtungen, beispielsweise mit sogenannten Wasserstrahlpumpen, erzeugt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor Einbrin-15 gung des Flüssigmetalls die Form vorgewärmt. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass ein Metallschaumkörper mit einer zumindest größtenteils dichten äußeren Schicht ausgebildet wird, wobei gleichzeitig Risse an bzw. in der dichten Außen- bzw. Oberflächenschicht, wie sie bei einem Abschrecken auftreten können, hintangehalten werden. 20 Wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren eine wärmeisolierte Form eingesetzt wird, kann die Dichte von erstellten Metallschaumkörpern wesentlich verringert werden. Die Ursache für diesen Effekt ist gegenwärtig noch ungeklärt. Der Fachmeinung zufolge soll ein möglichst wirksames Abführen der freiwerdenden Erstarrungswärme der Schmelzmasse und nachfolgend ein rasches Abkühlen zielführend sein, um ein in eine Schmelze eingebrachtes Gas bei Erstarrung 25 in dieser zu halten bzw. ein Austreten aus derselben zu verhindern. Gegenteilig zu dieser Meinung wurde nun aber gefunden, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ein Einsatz einer wärmeisolierten Form, wodurch eine Wärmeabfuhr und damit ein Abkühlen verzögert wird, zu Metallschaumkörpern signifikant geringerer Dichte führt. 30 Im Folgenden ist die Erfindung an Hand von Beispielen noch weiter erläutert.

Beispiel 1

Es wurden Blöcke einer Legierung AZ 91, das ist eine Magnesiumlegierung mit etwa 9 Ge-35 Wichtsprozent Aluminium und etwa 1 Gewichtsprozent Zink, Rest Magnesium, erstellt. Danach wurde erstelltes Material mehrere Tage lang in freier Umgebung gelagert und waren dabei feuchter Luft und Regen ausgesetzt.

Nach einer Lagerung wurden Blöcke in Schmelzgefäßen unter Atmosphärendruck aufge-40 schmolzen, wobei eine Atmosphäre aus 1 Vol.-% SF6 und 99 Vol.-% Argon bestand. Eine Schmelze wurde auf 685°C erhitzt; danach wurden etwa 70 Gramm dieser Schmelze in einen auf eine Temperatur von 300 °C vorgewärmten Tiegel gefüllt. Anschließend wurde der befüllte Tiegel in eine Unterdruckkammer gebracht, die Kammer verschlossen und unmittelbar danach in der Kammer ein Unterdrück von 80 Millibar erzeugt. Dieser Unterdrück wurde sieben Minuten 45 lang aufrecht gehalten, wonach die Kammer belüftet und geöffnet wurde und der Tiegel entnommen wurde.

Im Tiegel hatte sich ein poröser, in seinem Inneren Poren aufweisender Metallschaumkörper mit einer Dichte von circa 0.95 g/cm3 gebildet. Eine äußere Oberfläche des Körpers war im Wesent-50 liehen dicht und rissfrei ausgebildet. Bei querschnittlicher Betrachtung des Schaumkörpers nach einem Aufschneiden desselben zeigte sich, dass die gebildeten Poren einen Durchmesser von ca. 1 bis 4 Millimeter hatten und gleichmäßig über die Querschnittsfläche verteilt waren. Eine dichte äußere Schicht bzw. Haut war ca. 1 Millimeter stark. 55 Beispiel 2

Claims

6 AT 413 344 B In einem weiteren Versuch wurde analog zu Beispiel 1 verfahren, wobei ein wärmeisolierter Tiegel eingesetzt wurde. Es wurde ein Metallschaumkörper mit einer im Wesentlichen dichten und rissfreien Oberfläche erhalten. Die Porenstruktur entsprach der in Beispiel 1 beschriebenen. Im Vergleich mit einem in Beispiel 1 beschriebenen, in einem nicht-wärmeisolierten Tiegel hergestellten Metallschaumkörper konnte festgestellt werden, dass die Dichte des Metallschaumkörpers mit etwa 0.75 g/cm3 signifikant geringer war. Beispiel 3 Die in Beispiel 1 und 2 genannten Versuche wurden mit handelsüblichen Magnesiumschrottteilen der Sorte AZ 91 wiederholt. Es wurden analoge Ergebnisse zu Beispiel 1 bzw. Beispiel 2 erzielt. Demzufolge ergibt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch eine Möglichkeit Recyling-Material auf einfachem Weg in hochwertige Funktionsbauteile umzuwandeln. In weiteren Versuchen mit Recycling-Material konnten besonders vorteilhafte Ergebnisse in Bezug auf geringe Schaumkörperdichte und Porenausbildung mit Druckgussschrottmaterial aus Magnesiumlegierungen als Einsatzmaterial erhalten werden. Dabei erbrachten verfahrenstechnisch analog zu Beispiel 1 und Beispiel 2 durchgeführte Versuche Magnesiumschaumkörper mit Dichten von 0.85 g/cm3 und 0.65 g/cm3. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass bei Druckgussverfahren verfahrensbedingt Gas in das Gießmetall eingebracht wird und Druckgussteile daher immer porös sind. Werden nun Druckgussschrottteile in einem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt, so kann Gas nicht nur durch Zersetzung von oberflächig vorliegenden Verbindungen sondern auch durch die im Einsatzmaterial vorliegenden Poren bzw. Blasen eingebracht werden. Somit erfolgt eine zweifache Gaseinbringung. Dies wird durch Versuche mit sandgestrahlten Druckgussschrotteilen bestätigt, welche in Metallschaumkörpern höherer Dichte resultierten. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung eines Metallschaumkörpers aus einem Einsatzmaterial, wobei eine gashältige Schmelze erstellt wird und die Schmelze unter Ausbildung eines Metallschaumkörpers erstarren gelassen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Teile des Einsatzmaterials vor dem Aufschmelzen in wenigstens eine Verbindung umgewandelt werden, welche im Bereich des und/oder über dem Schmelzintervall desselben mindestens ein im Flüssigmetall lösbares Gas abgibt, wonach das Einsatzmaterial unter Atmosphärendruck geschmolzen und dabei oder darauf folgend Gas in das Flüssigmetall eingebracht wird, worauf das Flüssigmetall in eine Form gebracht und bei zumindest zeitweilig vermindertem Umgebungsdruck erstarren gelassen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung von Teilen des Einsatzmaterials durch Kontakt mit einem Gas bzw. Gasgemisch erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung von Teilen des Einsatzmaterials durch Kontakt mit einem Aerosol erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung bei einer Temperatur von höchstens 250 °C, vorzugsweise von höchstens 150 °C, über Schmelz- bzw. Solidustemperatur des Metalles Gas(e) abgibt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Einsatzmaterial aus einem Leichtmetall, insbesondere aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung, gebildet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstar- 7 AT 413 344 B rung des Flüssigmetalles bei einem Umgebungsdruck im Bereich von 0.03 bar bis 0.2 bar erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor Einbrin- 5 gung des Flüssigmetalles die Form vorgewärmt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine wärmeisolierte Form eingesetzt wird. io 9. Verwendung von Druckgussschrottmaterial als Einsatzmaterial in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8. Keine Zeichnung 20 25 30 35 40 45 50