CN108136494B - 由金属泡沫制备部件的方法、由所述方法制备的部件和用于实现所述方法的模具 - Google Patents

由金属泡沫制备部件的方法、由所述方法制备的部件和用于实现所述方法的模具 Download PDF

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Abstract

将由金属合金和发泡剂制备的颗粒形式的可发泡半成品(1)插入可关闭的模具(2)的空腔中，并且将密度高于产生的泡沫的表观(或体积)密度的液体(3)引导到其中。液体的温度高于金属合金的熔融温度；热量传递到可发泡半成品(1)的颗粒；其随后膨胀，借以由液体(3)支撑。在膨胀过程中，液体(3)的至少一部分被膨胀本身通过开口推出模具(2)。液体(3)也允许调节发泡剂的环境压力，这有助于准确设定膨胀时机。金属熔体可以有利地用作液体(3)。熔体可以部分保留在模具(2)中，从而形成混合结构的部件。该新方法使发泡显著更快，确保金属泡沫的均匀性，简化模具并减少整个过程的能量需求。

Description

由金属泡沫制备部件的方法、由所述方法制备的部件和用于 实现所述方法的模具
技术领域
本发明涉及由金属泡沫制备部件，主要是复杂和相当大的部件的方法，由此本发明允许在模具中快速的、规则的和受控的发泡。本发明还描述了一种有利地用于发泡的模具和通过发泡过程中的新的热分布方法制备的部件。
背景技术
目前使用四种方法由金属泡沫制备部件：
·借助注入熔体中的气体或借助混合到熔体中的发泡剂使熔融金属或熔体直接发泡，所述发泡剂在被添加到熔体后分解，产生气体，
·将金属合金浇铸到合适的模具中，模具的空腔形成得到的金属泡沫的精确结构，由此-借助合适的沉积方法-该模具由聚合物泡沫形成模型，随后通过合适的方法从模具中移出所述模型，
·通过3D冲压的方法直接沉积金属或到合适的泡沫的聚合物模型上，随后将其移出，
·固体半成品的发泡，所述固体半成品除了含有形成最终泡沫结构的金属合金以外，还包含添加的发泡剂(通常是粉末金属混合物或碳酸盐(carbonite))，由此将放置在合适的模具中的可发泡半成品加热到熔融温度，其中通过发泡剂的分解在熔融的金属合金中产生气孔，这使可发泡的半成品膨胀直至其填充模具中的整个空腔。
上述所有方法都有其显著的局限性，尽管具有不同寻常的特征，但不允许工业大规模由金属泡沫制备部件。
由于气体或发泡剂必须逐渐添加到熔体中并且必须适当地混合，所以熔体的直接发泡分别涉及熔体中的气体或发泡剂颗粒的均匀分布的问题。这导致熔体不同部分的不均匀发泡，这额外需要通过添加或产生稳定化陶瓷颗粒来适当地稳定，因此不会发生第一孔的塌陷，除非熔体的整个体积被填充。熔体的混合本身也是一个问题，由于混合器不能方便地放置在模具中，所以不允许制备复杂的、相当大的现成部件。这种方法通常将制备限制在较不复杂和较小的金属泡沫部件如块、面板等。复杂成型的部件通过机械加工制备。
由于目前沉积装置提供的可能性，沉积方法太慢且成本太高，并且不允许制备相当大的复杂部件；所制备的泡沫的后续热处理也是复杂的。
如果允许半成品在模具的合适空腔中膨胀直到空腔被充满，则固体半成品的发泡允许直接制备现成的成型部件。因为发泡剂均匀地分布在半成品中，因此不需要混合器，所述半成品可通过以下制备：压制金属合金的粉末混合物和发泡剂的粉末，或者在气体未被释放时在增加的压力期间将发泡剂的粉末混合到熔体中，随后将以这种方式制备的混合物铸造和固化成半成品的期望形状。问题在于随后部件填充的均匀性，因为半成品处于从外侧逐渐加热的封闭空腔中，这导致在模具壁附近的过早发泡以及在模具中间的一些半成品经常保持不发泡。为了防止接触模具壁的孔塌陷，模具壁必须具有接近金属合金的熔融温度的温度，这显著减慢了发泡过程。模具需要是薄壁的，因为熔融所需的热量到半成品中的整个传递通过模具壁以小的温差进行。因此，缺乏良好热传导的模具，例如沙子或陶瓷外壳模具，是没用的。通常使用薄壁金属模具，但由于不断变化的温度和热应力，这些模具会变形，因此需要经常更换它们，从而实现在期望的误差范围内的最终产品的尺寸。或者，使用由石墨制备的模具；这些模具具有良好的尺寸稳定性，但是它们在高温下易于损坏，并且需要保护它们免受氧化。因此不能以这种方式有效地制备大而形状复杂的部件。此外，发泡过程的长度降低了生产率并增加了整体成本，因为需要多个并且相对昂贵的模具和装置的并行工作。
这种简单的解决方案是期望的并且是未知的，其将确保热量朝向主要为颗粒形式的可发泡半成品的均匀分布，由此该解决方案不仅允许加速该过程，而且还控制该过程以实现泡沫结构的期望特征。
发明内容
上述缺陷通过根据权利要求1至16的由金属泡沫制备部件的方法得到了很大的改善。本发明的实质主要在于在模具的空腔中可发泡半成品的加热的新方法，这确保了其快速且均匀的熔融，而不需要通过模具壁长时间逐渐传递热量，因此没有泡沫过热的风险，泡沫过热会导致在模具壁边缘的孔塌陷。
将可发泡半成品插入到具有熔体的引入口的模具的空腔中。在插入可发泡半成品例如称量量的颗粒(或粒化)之后，模具被合适的液体通过引入口充满，由此该液体的温度高于可发泡半成品的熔融温度。液体能够均匀且快速地流动；其能够渗入模具的内部，这意味着发泡所需的足够的热量基本上被“注入”模具中。在液体流动到模具的过程中以及在用液体填充模具之后，液体立即与可发泡半成品的各部分直接接触，由此其将热量传递到产品，直到液体和产品的温度相互均衡。这样的热传递比从模具表面逐渐转移和在可发泡半成品的发泡颗粒之间相互传递热量的后续过程显著更快且在空间上更均匀。在系统的各个元件之间逐渐传递热量——如迄今为止在由固体半成品制备金属泡沫的过程中使用的——在本发明中被替代为加热的液体同时在可发泡半成品的所有部分中的直接影响。足以加热和熔融可发泡半成品的所需的热量预先积聚在液体中。具体的热量取决于使用的液体的比热、可发泡半成品和液体的重量比、可发泡半成品的比热、可发泡半成品的潜在熔融温度和模具中可发泡半成品的温度与液体温度之间的差异。以这种方式，在考虑到模具壁的热损失之后，通过设定用于给定量可发泡半成品和液体的液体温度，可以精确地设定可发泡半成品的完美发泡所需的热量。
放置好的可发泡半成品通过借助发泡剂产生气孔立即开始膨胀，因此它的相对密度开始显著减小。表观密度(或体积密度)表示由半成品产生的多孔结构的重量与其当前体积之比。无孔熔体的密度明显高于泡沫的表观密度。所产生的泡沫因此被重力推到模具空腔的上部，由此较重的熔体聚集在其下部。因此，液体的功能不仅是传递热量，而且它还有助于可发泡半成品颗粒在这些颗粒膨胀时期的移动。液体的使用具有显著的协同作用；液体迅速传递热量，同时简化了发泡过程中半成品的分布。液体被膨胀的半成品通过出口推出模具，到达合适的收集容器中。当可发泡半成品膨胀到期望值时，主要过程结束，由此其填充模具空腔的特定部分或全部，并且通过这样做，多余的液体在传递足够的热之后从模具中被推出。该过程随着模具冷却结束，直至成品泡沫完全不固化。
通常根据本发明的方法包括以下步骤，其中将(例如由金属合金粉末和发泡剂的混合物制备的)颗粒形式的可发泡半成品插入可关闭的或一次性、可丢弃的模具的空腔中。术语“颗粒”或“粒化”必须在没有尺寸限制的情况下广泛地理解；其可以包括任何固体晶粒、主体、颗粒。通常但不是唯一的，颗粒将形成棒、型材(profiles)或片材。术语“可发泡的”表示适当发泡金属材料的能力。从上述可以看出，可发泡半成品在显著的程度上将具有由金属材料气密地关闭的发泡剂，因此在从该试剂释放气体期间发生金属发泡并且气体不以任何显著的程度被释放到金属结构的外部。
密度比所得金属泡沫的表观密度更高的液体被释放到模具的空腔中，其中液体的温度高于金属合金粉末的熔融温度。通过将液体放置到模具中，使液体与模具空腔中的可发泡半成品接触。该接触导致热量从液体立即传递到可发泡半成品；可发泡半成品因此被加热到金属合金的熔融温度，这导致可发泡半成品膨胀，由此至少膨胀半成品的一部分漂浮在液体中。期望的膨胀伴随着至少部分液体通过模具中的相应开口从模具流出；优选地，通过可发泡半成品本身的膨胀将液体推出。达到期望的膨胀程度后，将模具冷却到产生的金属泡沫的固化温度。
适当选择的液体的一部分可以有意地保留在模具中，其在所述模具中与泡沫一起固化，并产生将固化的泡沫和固化的液体组合成单一整体部件的混合铸件。
主要通过将液体推动通过模具下部的开口，优选在模具最底部的部分中的开口，而可以将液体放置到模具中。相同的开口随后可以用于液体流出。在膨胀期间，75％的液体被推出模具，优选地多于90％的液体被推出。
为了实现根据本发明的效果，液体必须填充模具空腔中的整个自由空间。在插入可发泡半成品之后在模具的空腔中剩余的自由空间可以仅由液体部分填充。在这种情况下，液体和膨胀前的可发泡半成品的体积小于模具空腔的内部体积。所需液体的量可以被最小化，其最小化以下述方式加热和传导液体的装置的所需尺寸：所述方式使得在插入可发泡半成品之后，模型的空腔中剩余的自由空间由液体仅以液体与可发泡半成品表面直接接触所必需的量被填充。这意味着液体的具体量将主要取决于可发泡半成品的重量和粒度测定，并且可以通过现场测试来指定。
流出模具的液体可以在没有冷却的情况下用于另一个发泡循环，这显著减少了由金属泡沫制备部件的能量需求。术语“在没有冷却的情况下”表示未有意冷却液体的状态，其不排除在储存期间直到另一个发泡循环的一般热损失。关键的是，在另一个循环中，只有在前一循环中消耗的热量被添加到液体中，因为液体不固化并且不需要添加另外的潜热。通常，在从模具流出期间，液体流入模具下方的收集容器中，其在所述收集容器中可以随后被加热用于重复使用。
在优选的布置中，液体与熔融金属连接。熔体可以是与可发泡半成品的混合物中的金属粉末具有相似的化学组成的合金，但它也可以在某种程度上不同于这样的组成。如果使用具有比泡沫更高的固化温度的熔体，则引入口将首先固化，由此膨胀的泡沫将保持在所产生的气体的压力下，直到完全固化，这确保了细节的充分填充，即使在模具的复杂的空腔中。如果使用固化温度低于金属泡沫的固化温度的熔体，则泡沫将首先在模具的空腔中固化，并且随后可将引入口中的过量熔体倒出。在熔体固化期间，合适的压力可以施加到引入口中的熔体上，因此泡沫的固化与前面的情况类似地进行。
为了制备泡沫部件，优选使用不与熔融的泡沫以任何方式反应的熔体(例如，在铝泡沫的情况下为铅和锡)；然而在某些情况下，优选使用合金来代替，所述合金扩散地结合所产生的泡沫，由此可以制备包括部分来自固化的熔体和泡沫部分的混合铸件。以这种方式，可以使用来自合金的熔体，所述合金与构成金属泡沫的合金相同。
空腔可以这样设计，使得在可发泡半成品膨胀的影响下，所有的熔体流出。通常在这种情况下，进入模具的引入口将被放置在其最底部的点。然而，可能会在空腔的内表面上形成人造障碍物(褶皱)或帽，即不同的形状元件，从而熔体不能被泡沫挤出所述人造障碍物(褶皱)或帽外。熔体将保持在这些形状元件中，或者其将保持在模具中—在这些形状元件的水平面上—直到固化，这产生在其表面上具有固化的熔体的混合铸件，其厚度分别对应于空腔的形状或形状元件的形状和位置。也可以以这种方式制备混合铸件，使得液体的引入口——在膨胀期间同时用于液体流出——被放置在模具的空腔底部的水平面以上，并且液体保留在该底部以上直到固化。当然可能的是，即使在没有不寻常的发明的情况下，本领域技术人员也可以在该基础上制备各种形状的模具，由此可以具有肋材、支柱等形式的各种形状元件。可以使用具有多个引入口或在关于模具的不同位置和不同高度具有液体的受控引入口和流出口的模具。
还可能的是插入各种加强网(或格栅)，其将模具的内表面或至少表面的一部分复制到具有可发泡半成品的空腔中，并允许所注入的熔体到达模具的表面，由此网格尺寸的适当设置不允许膨胀的半成品将熔体从网下方推出。以这种方式，可以在泡沫表面上产生紧密的无孔层，其在顶部通过来自合适金属的网来加强；该网主要在施加应力期间由拉伸应力显著改善所得部件的机械特征，因为网和致密层防止——类似钢筋混凝土——泡沫扩展引起的潜在裂缝。
具有穿孔表面的加强件不仅增加了铸件在坚固性方面的特征，而且穿孔还在铸造期间产生了分隔元件—发泡材料块与固化的无孔液体之间的边界。因此，在加强件中适当设计的穿孔具有双重功能：它在拉伸应力方面增加了铸件的弹性，并且同时在泡沫表面产生无孔层，该无孔层作为筛防止膨胀的泡沫穿过加强件中的开口并将熔体推出加强件外。加强件材料的熔融温度必须高于液体的温度；该加强件可以例如来自钢，或来自一些其他具有高熔融温度的金属，或来自陶瓷纤维。
甚至在放置可发泡半成品之前，将金属和/或陶瓷加强件，例如网、格栅、膨胀金属、棒、空心型材、线材或纤维形式的金属和/或陶瓷加强件插入模具的空腔中；通常在注入液体之前将加强件放置到模具中。
可以将模具分别预热至液体或熔体的温度，以使液体或熔体在注入到模具的空腔期间不会过早固化；模具也可以由不良地传递热量的材料，例如由砂混合物或陶瓷制备，这是与现有技术直接相反的要求。在将模具预热至泡沫的固化温度的情况下，需要在发泡结束后适当冷却模具。在将液体放置到模具之前，可以将模具加热到高于可发泡半成品的熔融温度的温度。
考虑到发泡剂的分解过程取决于温度和压力的事实，在适当设置的制备方法中，所提出的发泡过程可以通过在外部压力下操作，在短瞬间(以秒级别)实现。已知将温度升高至临界温度以上自发地从发泡剂释放气体，其中临界温度随着压力增加而升高。如果在外部压力升高期间(所述外部压力推动发泡剂的分解温度至高于半成品的熔融温度(在铝泡沫TiH2的情况下，其例如高于1MPa))，在高压釜中进行铸造过程，并且将预热的熔体注入到具有可发泡半成品的模具中，则半成品即使在完全熔融后也不会膨胀。然而，当外部压力降至临界值以下时，膨胀立即开始。该特征可以用来更好地均衡熔体注入后模具空腔中的温度，因为其允许获得更多的时间用于均衡半成品的各个部分和熔体之间的温度，而不使半成品膨胀。在通过降低外部压力均衡温度后，膨胀开始。因此，在该阶段，液体可以充当受控膨胀启动的控制，因为设定的外部压力均匀且实际上立即施加到半成品的每个部分上。这意味着在液体与可发泡半成品相互接触时，液体处于这样的压力下，所述压力在给定温度下高于防止发泡剂释放发泡和膨胀所需的气体的压力。在更高的压力下，发生热量从熔体到半成品甚至更好的传递，其中根本不需要进行膨胀。因此该步骤可以延迟膨胀，直到温度场在模具内部均衡为止。在液体温度降低到液体固化温度的水平之前，液体中的压力受控地降低到防止发泡剂在给定压力下释放气体的值以下，其开始膨胀。这种方法主要在铸件形状复杂、模具腔体中的液体的移动路径长、引入口与空腔边缘之间的距离不同等情况下是优选的。
高压釜可以有利地用于产生压力，其中增加的压力也从外部作用于模具的结构。这允许以低生产成本有利地使用薄壁外壳模具。也不排除使用压力模具的经典构造，其中该模具能够承受过度的内部压力。双层(two-coat)模具的解决方案也是可能的；在固体外层和内部薄壁压力介质之间存在压力介质。
还已知的是，随着发泡过程中外部压力的增加，所得孔的尺寸减小。这种现象可以用于根据本发明的方法中，以便于以这样的方式设定孔的尺寸，使得在膨胀开始之后，高压釜中的剩余压力、剩余压力或作用于来自引入口的流出的熔体的压力保持在适当的设定水平。因此，除了发动膨胀之外，液体是调节孔的尺寸的压力介质，其描绘于图33。
或者，插入的可发泡半成品的所述模具空腔的所述流动可以相反地以这样的方式实现，使得将可发泡半成品的部分们放入(或插入)已经分别填充预热的液体或熔体的开放模具中，其中以这样的方式关闭模具，使得膨胀的泡沫在推出多余液体或熔体之前不会从空腔泄漏。为此需要在模具空腔的下部有合适的开口。
本发明的主题还是根据权利要求17至19的部件。该部件可以是运输工具的车身的部分，或者其可以完整地且在一个工作循环中单件形成整个整体车身。当前的车身结构受到与板状金属零件的成形有关的技术可能性的显著影响，所述板状金属零件随后焊接或以其他方式连接在一起形成空间结构。本发明允许产生不受成形技术和后续连接限制的空间结构。在运输工具(车辆、飞机、火车、船)的框架和/或车身的情况下，部件可以在一个整体中包括构架或框架以及外部成形表面。车身或框架的各个区域可以具有变化的金属泡沫的宽度；它们可以具有渐变的连接接头，在板状金属结构的情况下其制备复杂且受到限制。空间结构可以具有包含固化的液体和/或加强件的区域。
本发明的主题还是根据权利要求20至23的模具。该模具不需要设计用于快速传递热量的壁，也不需要是金属模具。模具材料的导热系数可以小于70W.m-1.K-1。在优选的布置中，通过干燥含有陶瓷颗粒的悬浮液来制备模具，所述悬浮液施加到部件的可熔融模型上，优选部件的蜡模型上。模具可以被分割，并且通常将在其底部部分具有至少一个用于可传热液体引入和流出的开口。
本发明利用单一液体传递热量，可发泡半成品颗粒的移动以及随后的膨胀启动带来了许多重要的优点，主要是：
·其允许在短时间内在模具空腔的整个体积内膨胀泡沫，而不论其大小如何，这意味着即使是具有复杂形状和大尺寸的相当大且复杂的部件(例如与由碳复合材料制造的车身类似的整体车身)可以通过这种方法以高生产率实现；
·泡沫在短时间内以整个体积生产，显著增加了孔分布的规则性，并防止过早产生的孔塌陷，以及减小空隙的体积；
·任何材料都可以用于制备模具，包括廉价的用于制备外壳的陶瓷混合物或砂混合物，因为热量不需要通过模具壁传递到半成品中，但它可以借助预热的液体到达那里；
·实际上，所有携带到液体中的热量都是为了熔融可发泡半成品而消耗的，在模具壁中具有最小的损失。如果使用耐久模具，则可以通过在泡沫固化过程中传递给它的损失热量将模具保持在发泡温度下。这大大降低了发泡的能量需求，因为模具的加热不需要任何额外的热量，并且实际上，仅在之前的发泡过程中已经消耗的半成品熔融所需的热量被传递到熔体，所述熔体在整个过程期间是熔融状态的。这种能量效率降低了整个过程的成本；
·适当选择熔体、可发泡的半成品和模具空腔表面的形状允许制备具有由固化的熔体形成不含孔的部分的混合铸件，由此模具空腔内的膨胀的泡沫防止由于熔体固化而产生的收缩(泡沫的膨胀补偿固化引起的熔体体积的缩小)。以这种方式可以制备具有期望宽度的紧密表面层和具有泡沫芯的夹层结构，其主要从相对于重量实现的坚固性和牢固性角度来看具有优异的机械特性；
·其允许在改变外部压力条件下简单地实现发泡(分别借助液体或熔体，压力均匀地施加到半成品的所有部分上)，其显著引导所得孔的尺寸及其分布的规则性。此外，利用外部压力进行操作可以显著缩短发泡过程本身，因此其仅持续数秒。
根据本发明所公开的方法可以用于由用金属合金制备的颗粒与合适的发泡剂一起制备任何形状的部件。固体可发泡半成品的优选组成在现有技术中是已知的，并且它们通常用于普通结构合金。用金属泡沫制备大且复杂形状的部件的应用将是特别有利的，并且在单一技术操作中制备混合铸件(金属-泡沫)是特别有利的。预计本发明的用途在需要具有高的坚固性和牢固性与部件重量之比的轻型整体结构的任何地方都是被期望的，主要在汽车车身及其部件、船和飞机构造、电动车的轻量大尺寸结构件、三轮车、拖车、铁路车辆、火车等的生产期间。市场可以扩展目前只能用具有碳或玻璃纤维的复合材料来制备的应用，但碳或玻璃纤维是非常昂贵的材料，并且不能满足高生产率和生产重复性的要求。所公开的方法在短的生产周期内将发泡提高到高生产率水平，由此即使对于大的部件，薄壁外壳也可以用作模具。
在一个生产周期内由单件制备大型部件不仅减少了零件和接头元件的数量，而且还改善了部件中机械负载(或应力)的传递。本发明提供了许多协同优点，这些优点是由于热量快速且均匀地直接插入到模具内部，由此热量的载体与可发泡半成品的颗粒直接接触。由于这一点，铸件的生产率以及工艺的重复稳定性显著提高，并且能量需求减少。
附图说明
本发明通过图1至43进一步公开。使用的比例和模具的具体形状与相应产品不具有约束力；它们提供信息或为了清楚起见而进行调整。这就是为什么在附图中有具有简单形状的空腔的模具，即使在其中具体实例用语言描述铸件的不同形状特征的情况下。
图1至图6逐渐描绘了在分割的模具中的一个发泡循环中的基本步骤。图1描述了在液体注入之前将可发泡半成品放置到模具中；液体注入在图2中描绘。图3示出了发泡的激活，其在图4中继续。图5随后描绘了可发泡半成品的膨胀，由此膨胀将液体推到收集容器中。在图6的左下角有一张象形图，显示了从收集容器中移出并再次使用的液体的再循环。
图7至17公开了使用来自不锈钢膨胀金属的分隔加强件。在图7中，加强件以这样的方式放置到模具中，使得其穿孔表面在距离模具内壁处邻近地放置。图8至12显示了类似于图2至6的步骤。
图13描绘了具有处于固化状态的铸件的模具。黑色表示没有泡沫结构的固化的液体。图14中是没有模具的铸件；图15中是引入口系统被移除的铸件。图16是空间描绘模具的横截面，由此该视图示出来自膨胀金属的裸露加强件，其通过其穿孔在发泡块和固化的熔体之间产生边界。图17是部分切除的加强件的横截面视图。
图18至26描绘了其中模具具有形状元件的方法，所述形状元件有效地防止液体从模具的某些区域被推出。图18显示了在液体注入之前将可发泡半成品放置在模具内，在图19中描绘了液体注入。图20描绘了发泡的激活，其在图21中继续。然后图22描绘了可发泡半成品的膨胀，其中该膨胀将液体推到收集容器中。在图23的左下角有一个象形图，表示从收集容器移出并重复使用的液体的回收。图24描绘了具有处于固化状态的铸件的模具。全黑色表示没有泡沫结构的固化的液体。图25中描绘了没有模具的铸件；图26中是引入口系统被移除的铸件，其中铸件的肋材和下部由固化的液体产生。
图27至图32描述了在模具中发泡的步骤，其中在最后液体的压力升高；该后续事件描绘在图32中。
在图33中示意性地描绘了压力对泡沫的影响。P1至P5表示升高的压力。各压力下的数字代表了结构的实例。
图34至36描述了逐渐调节压力的步骤。圆圈表示压力容器，例如高压釜，模具放置在其中。从圆圈的圆周引出的箭头和符号Pn描绘了产生的内部超压。图36中划掉的字母P表示超压停止。图34描绘了在注入液体之前模具内的可发泡半成品，在图35中描绘了注入液体。图36描绘了在压力降低和随后膨胀之后将液体推出到收集容器。
图37描绘了未分割的陶瓷模具的使用。
图38至43描绘了当可发泡半成品被放置到已经填充液体的模具中时的发泡步骤。图38描绘了该过程开始时的模具。在图39中，模具填充液体。图40描述了可发泡半成品与液体接触的步骤，据此模具同时关闭。图41描述了可发泡半成品膨胀的开始，这与将液体推出模具相关联。图42中描绘了持续的膨胀。随后，图43描绘了模具空腔的填充。
实施的实例
实施例1
在根据图1至6的该实施例中，颗粒形式的可发泡半成品1由粉末金属合金AlSi10和0.8重量％的发泡剂TiH2的粉末制备。将颗粒插入两件式铸造石墨模具2的空腔中，该模具2在其最底部部分具有用于熔体的引入口，由此通向引入口的注入开口引出到模具2的空腔的最高点以上。可发泡半成品1的体积占模具2的内部空间的约20％。具有可发泡半成品1的关闭的模具2在氮的保护气氛中加热至550℃，其中可发泡半成品1未膨胀。在模具2和颗粒的温度均衡之后，根据图2将预热到900℃的熔融合金AlSi10以这样的方式通过引入口从炉外部注入到模具2中，所述方式使得模具2的空腔中至少80％的自由空间被填充。即刻，即在熔体浇注到模具2中约2秒后，可发泡半成品1熔融并根据图3和4膨胀，这表现为液体3的逆流，即熔体流出引入口至模具2下方的收集容器4。熔体的流出在约20秒后停止，这给出颗粒(或粒化)膨胀完成的信号。已经放置在炉外的模具2静置以冷却至约450℃的温度。打开后，成品部件从模具2中取出；该部件完全由铝泡沫制备，整体孔隙率为83％。注入到模具2中的全部熔体已经被可发泡半成品1的膨胀推到模具2的空腔外部；部分泡沫在引入口中。
实施例2
在这种情况下，可发泡半成品1的颗粒根据图33由粉末铝合金AlMgSi和1重量％的发泡剂TiH2的粉末制备。将颗粒插入由钢金属板焊接的薄壁模具2的空腔中。半成品1的体积占据模具2的内部空间的约20％。模具2的上部具有直径为0.2mm的圆形通气孔，并且在下部具有直径为15mm的圆形开口。将模具2和可发泡半成品1一起悬挂在特殊高压釜中，悬挂于罐的上方，所述罐具有温度为950℃的熔融铅。高压釜关闭后，其内部空间被氮加压到1MPa(10atm)。随后，模具2已经完全被浸入已经缓慢流动到模具2的空腔中的熔融的铅中，这是通过其上部的通气孔实现的，该通气孔引导到熔融的铅水平以上。
在模具2完全填充液体铅之后(大约30s)，并且在1分钟后，整个颗粒在模具2中熔融，其本身表现为模具2中的温度降低至约680℃，但由于压力，颗粒实际上不会膨胀。高压釜中的压力随后减小到0.15MPa(1.5atm)，这引起颗粒的立即膨胀并且通过底部开口将铅推出模具2。铝泡沫不会通过上部通气孔排出，因为所述通气孔对于泡沫而言太小，而且它们通向比熔融的铅更冷的部分，其中使用的铝合金固化并关闭通气孔。在膨胀过程中，以这样的方式将模具2从具有铅的罐中取出，所述方式使得底部开口保持浸在铅熔体中。在从罐中取出模具2之后，铝泡沫在空间中在较低温度的影响下固化，由此直到颗粒发生膨胀直到其完全固化。通过来自铅熔体的帽来防止泡沫通过底部开口流出。在铝泡沫在约580℃下完全固化之后，模具2的几乎整个空腔被铝泡沫填充；只有底部开口中的区域含有固化温度在400℃以下的熔融的铅，其在模具被完全从罐中取出后，流回到罐中。
关于高压釜中剩余的0.15MPa的超压，铝合金中孔的表观直径限制为最大2mm，由此泡沫的表观密度为0.55g/cm3。
实施例3
在该实施例中，根据图7至17，由粉末铝合金AlMg1Si0,6和0.6重量的发泡剂TiH2的粉末制备呈颗粒形式的可发泡半成品1。将颗粒注入到硅酮模具2中，形成形状部件的蜡模型。将网格尺寸约为1.5mm的来自不锈钢膨胀金属的格栅以这样的方式放置在硅酮模具2中，所述方式使得其复制模具2的表面，同时保持与内壁的距离。成品中的格栅也实现了加强件5的功能。可发泡半成品1的体积占据蜡模型的体积的约20％。所述蜡模型已通过已知方法被浸入陶瓷悬浮液中，并且还通过已知方法被干燥，直到在模型上产生厚度约4mm的连续陶瓷外壳。在干燥具有蜡的外壳之后，在其下部形成开口，并且在约100℃的温度下蜡已经从所述开口完全熔融离开。然而，可发泡颗粒和不锈钢格栅保留在外壳模具2的空腔中，由此格栅复制模具2的表面。由类似于外壳的材料制备的引入口以这样的方式放置到底部部分中的开口上，所述方式使得它在模具2的空腔的最低部分上方约20mm的高度处引入空腔。
随后将具有引入口、颗粒和不锈钢格栅的外壳加热至550℃的温度，然后将加热至850℃的温度的熔融铝合金AlMg1Si0,6以充满模具2的空腔的整个自由空间的方式注入到空腔中。在填充模具2之后，空腔通过外壳的细孔陶瓷壁逐渐脱气。基本上在将熔体注入到模具之后立即发生可发泡半成品1-颗粒的熔融及其膨胀，这表现为液体3-熔体逆流到引入口外。大约15秒后熔体流出停止，这给出颗粒膨胀已完成的信号。将模具2冷却至约400℃。在去除陶瓷外壳后，取出成品部件，其中该部件具有由铝泡沫制备的孔隙率为约80％的芯。泡沫在整个表面上–所述空腔中已经由不锈钢格栅覆盖–覆盖有约1mm厚的紧密合金AlMg1Si0,6的层，其中格栅已经被焊接，这是因为泡沫由于格栅而不能到达模具2的空腔的表面，并因此不能推出熔融的合金。以同样的方式，因为泡沫不能从引入口/排出口附近的区域推出熔体，所以无孔金属出现在部件的底部。结果是具有由AlMg1Si0,6泡沫制备的芯和由相同合金制备的无孔1mm厚的表层的混合铸件。与钢筋混凝土类似，表层已由不锈钢膨胀金属加强。在部件的底部部分，制备厚度约为20mm的合金AlMg1Si0,6的无孔层，其被设计用于部件的固定螺纹的钻孔。
实施例4
由铝技术纯粉末和0.4％重量的发泡剂TiH2的粉末制备的根据图38至图43的棒通过铝线连接到两件式铸造模具2的帽上，所述铸造模具2由HBN以使得模具2的分割平面位于最上面的部分的方式制备。模具2基本上构成由帽覆盖的容器。在模具2的最低部分(在容器中)中放置引入口，由此到达引入口的注入开口引导至分隔平面的水平面以上。可发泡半成品1的体积占据模具2的空腔空间的约20％。将模具2(容器)的开放的下部加热到850℃并用相同温度的熔融铅填充至容器高度的至少4/5。具有附接的可发泡半成品1的模具2的帽同时在炉内加热到550℃，其中可发泡半成品1的膨胀尚未发生。
在模具2和铅熔体的温度调整(或者均衡)之后，通过气动活塞将具有附接的可发泡半成品1的帽推入到模具2的底部中，并且通过压力关闭模具2。在模具2关闭并且将可发泡半成品1浸入铅之后，立即发生膨胀，其本身表现为将铅推出引入口。约半分钟后，铅流出停止，这给出颗粒的膨胀已完成的信号。底部模具2—在帽关闭并且开始发泡之后基本立即冷却约150℃—静置以冷却至约500℃。打开后，整体孔隙率为78％的完全由铝泡沫制备的成品部件被取出。所有注入到模具2底部的铅已经通过可发泡半成品1的膨胀通过引入口推出到模具2的空腔外部，由此引入口也被泡沫完全填充。
实施例5
根据图18至26的该实施例中的过程类似于实施例1。模具2是不同的；在这里它具有防止在可发泡半成品1膨胀期间将液体3推出模具2的形状元件6。该实施例中的液体3具有与可发泡半成品1相同的基础(basis)。
形状元件6是例如液体3流入其中但不应该流出的肋材。在图24至26中，这些区域用全黑标记，其表示固化的液体3的无孔块，或者更准确地表示具有与泡沫基础相同的材料基础的固化的熔体。如果冷却肋材或加强肋材具有没有孔的完整结构，则是优选的。
实施例6
根据图27至32的该实施例中的方法与实施例1类似，直到液体3从模具2流出，其中根据图32，压力作用于流出的液体3。示意性地描绘了直接作用于引入口系统中的活塞；在实际操作中可以使用各种机械或液压系统来产生压力。泡沫的结构可以通过压力来控制。在该实施例中，模具2具有足够牢固的结构。
实施例7
在该实施例中，根据图34至36的高压釜的使用提供了用于启动膨胀和影响根据图33的泡沫所得结构的重要处置。根据图27至32的方法类似于实施例1，但是在将液体3放置到模具2中的过程中，外部压力Pn作用在模具2和液体3上并防止膨胀的启动。作用于液体3的压力同时从模具2的外部起作用，使得模具2不需要抵抗过压Pn。
在根据图36释放压力之后，开始膨胀并且液体3开始流出到收集容器4。
实施例8
如图37所描绘的，模具2是未分割的和一次性的。模具2的外壳由非金属陶瓷材料形成；具体地，模具2通过干燥施加到部件的可熔融蜡模型上的包含陶瓷颗粒的悬浮液而制备。以下事实补充了已知的制备蜡模型的常用方法，即在施加外壳层之前，可发泡半成品1—或者还有加强件5——被放置到蜡模型中或其表面上。可发泡半成品1不是在其制备之后引入到模具2中；而是在其制备过程中，模具2基本围绕可发泡半成品1的块形成。
工业适用性
工业适用性是明显的。根据本发明，可以在工业上且重复地由金属泡沫制备部件，包括复杂的和相当大的部件，由此发泡所需的热量不需要通过模具的壁传递，这显著减少了整体能量需求和生产成本。使用廉价、一次性模具，但也使用复杂和耐久的模具的可能性允许不同系列性质的有效生产，从原型到具有高自动化程度的工业批量生产。
相关符号列表
1-可发泡半成品
2-模具
3-液体
4-收集容器
5-加强件
6-模具中的形状元件
HBN-六方氮化硼(Hexagonal Bornitrid)

Claims (28)

1.一种由金属泡沫制备部件的方法，其中将由金属合金和发泡剂制备的颗粒形式的固体可发泡半成品(1)放置在可关闭的和/或一次性模具(2)的空腔内，将所述可发泡半成品(1)加热到金属合金的熔融温度，其产生所述可发泡半成品(1)的期望的膨胀，并且之后——在达到期望的膨胀程度之后——将所述模具(2)冷却到产生的金属泡沫的固化温度以下，
所述方法的特征在于：
将密度高于产生的泡沫的表观密度的液体(3)放置在所述模具(2)的空腔内，
所述液体(3)的温度高于所述金属合金的熔融温度，
引导所述液体(3)与所述模具(2)的空腔中的所述可发泡半成品(1)接触，其中所述液体(3)将热量传递到所述可发泡半成品(1)，其导致所述可发泡半成品(1)膨胀，
由此所述膨胀的可发泡半成品(1)由所述液体(3)支撑，
并且在膨胀期间，所述液体(3)的至少一部分通过所述模具(2)中的相应开口流出所述模具(2)。
2.根据权利要求1所述的由金属泡沫制备部件的方法，其特征在于，所述液体(3)通过所述可发泡半成品(1)本身的膨胀被推出。
3.根据权利要求1或2所述的由金属泡沫制备部件的方法，其特征在于，通过推动通过所述模具(2)的底部部分中的开口将所述液体(3)放置到所述模具(2)中，并且随后也通过该开口将所述液体(3)推出。
4.根据权利要求1或2所述的由金属泡沫制备部件的方法，其特征在于，通过推动通过所述模具(2)的最底下的部分中的开口将所述液体(3)放置到所述模具(2)中，并且随后也通过该开口将所述液体(3)推出。
5.根据权利要求1或2所述的由金属泡沫制备部件的方法，其特征在于，在膨胀期间，多于75％的所述液体(3)被推出所述模具(2)。
6.根据权利要求5所述的由金属泡沫制备部件的方法，其特征在于，多于90％的所述液体(3)被推出所述模具(2)。
7.根据权利要求1或2所述的由金属泡沫制备部件的方法，其特征在于，在插入测量的量的所述可发泡半成品(1)之后，将所述液体(3)放置到所述模具(2)中。
8.根据权利要求1或2所述的由金属泡沫制备部件的方法，其特征在于，所述液体(3)的一部分保留在所述模具(2)中，其中它在所述模具(2)中与泡沫一起固化并产生混合铸件，所述混合铸件将固化的泡沫和固化的液体(3)组合成单一整体部件。
9.根据权利要求1或2所述的由金属泡沫制备部件的方法，其特征在于，在插入所述可发泡半成品(1)后，所述模具(2)的空腔中剩余的自由空间仅被部分填充所述液体(3)，由此所述液体(3)和在膨胀之前的所述半成品(1)一起具有的体积小于所述模具(2)的空腔的内部体积。
10.根据权利要求9所述的由金属泡沫制备部件的方法，其特征在于，所述液体(3)的量基于所述可发泡半成品(1)的重量和粒度测定被确定。
11.根据权利要求10所述的由金属泡沫制备部件的方法，其特征在于，所述量通过现场测试被指定。
12.根据权利要求1或2所述的由金属泡沫制备部件的方法，其特征在于，在所述可发泡半成品(1)与所述液体(3)相互接触期间，所述液体(3)被暴露于这样的压力，所述压力在给定温度下高于防止所述发泡剂释放发泡和膨胀所需的气体的压力，并且之后，即在所述液体(3)的温度降低到泡沫的固化温度之前，所述液体(3)的压力减小到防止所述发泡剂在给定温度下释放气体的值以下。
13.根据权利要求1或2所述的由金属泡沫制备部件的方法，其特征在于，所述液体(3)是金属的熔体，所述金属的熔体的熔融温度低于所述金属泡沫的固化温度。
14.根据权利要求1或2所述的由金属泡沫制备部件的方法，其特征在于，所述液体(3)是金属的熔体，所述金属的熔体的熔融温度高于所述金属泡沫的固化温度。
15.根据权利要求1或2所述的由金属泡沫制备部件的方法，其特征在于，所述液体(3)作为熔体具有与所述可发泡半成品(1)的混合物中的金属合金具有相同化学组成的基础。
16.根据权利要求1或2所述的由金属泡沫制备部件的方法，其特征在于，在放置所述液体(3)之前，将金属和/或陶瓷加强件(5)插入到所述模具(2)的空腔中。
17.根据权利要求16所述的由金属泡沫制备部件的方法，其特征在于，所述模具(2)的空腔是网或格栅或棒或空心型材或线材或纤维的形式。
18.根据权利要求16所述的由金属泡沫制备部件的方法，其特征在于，所述加强件(5)在距离所述模具(2)的内表面处邻近地插入。
19.根据权利要求16所述的由金属泡沫制备部件的方法，其特征在于，所述加强件(5)中的穿孔构成用于将泡沫与在成品铸件的表面上的液体分离的筛。
20.根据权利要求1或2所述的由金属泡沫制备部件的方法，其特征在于，在将所述液体(3)放置到所述模具(2)之前，所述模具(2)被加热到高于所述可发泡半成品(1)的熔融温度的温度。
21.根据权利要求1或2所述的由金属泡沫制备部件的方法，其特征在于，在将所述液体(3)推出所述模具(2)期间，所述液体(3)的一部分保留在所述模具(2)的褶皱中，在所述褶皱中，它固化为混合铸件，所述混合铸件在这些区域中具有与不包含成形元件(6)的区域相比不同的结构。
22.根据权利要求1或2所述的由金属泡沫制备部件的方法，其特征在于，流出所述模具(2)的液体(3)在不冷却的情况下用于另一个发泡循环中。
23.根据权利要求22所述的由金属泡沫制备部件的方法，其特征在于，所述液体(3)流出到收集容器(4)中，并且所述液体(3)随后被加热用于下一次使用。
24.用于通过根据权利要求1至23中任一项所述的方法由金属泡沫制备部件的模具，其特征在于，所述模具通过使施加到部件的可熔融模型的、包含陶瓷颗粒的悬浮液干燥而制备，其中，所述模具被分割并且在其底部部分具有至少一个开口，用于载热液体(3)的流入和流出。
25.根据权利要求24所述的用于由金属泡沫制备部件的模具，其特征在于，所述部件的可熔融模型是部件的蜡模型。
26.根据权利要求24所述的用于由金属泡沫制备部件的模具，其特征在于，所述载热液体(3)是金属熔体。
27.根据权利要求24所述的用于由金属泡沫制备部件的模具，其特征在于，所述模具在其内部形成所述可发泡半成品(1)。
28.根据权利要求24至27中任一项所述的用于由金属泡沫制备部件的模具，其特征在于，所述模具(2)的材料的热传导系数小于70W.m-1.K-1。
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