DE10045494C2

DE10045494C2 - Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers aus Metallschaum

Info

Publication number: DE10045494C2
Application number: DE10045494A
Authority: DE
Inventors: Robert F Singer; Carolin Koerner
Original assignee: Neue Materialien Fuerth GmbH
Current assignee: Neue Materialien Fuerth GmbH
Priority date: 2000-09-13
Filing date: 2000-09-13
Publication date: 2002-07-18
Anticipated expiration: 2020-09-14
Also published as: DE50109977D1; EP1318884A1; EP1318884B1; ATE327851T1; DE10045494A1; JP2004508202A; WO2002022295A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers aus Metallschaum.

Aus der EP 0 804 982 A2 ist ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Metallschaum bekannt, bei dem als Ausgangsma terial ein kompaktiertes Gemisch aus gasabspaltendem Treib mittel und Metallpulver benutzt wird. Ein solches kompaktier tes Gemisch wird üblicherweise durch Strangpressen herge stellt. Das kompaktierte Gemisch kann in Farm von Stangen, Rohren oder als Granulat vorliegen. Zur Herstellung eines Me tallschaums wird das kompaktierte Gemisch in einer beheizba ren Kammer aufgeheizt, bis das Metall schmilzt und das Treib mittel sich zersetzt. Das dabei frei werdende Gas schäumt das Metall auf. Der gebildete Metallschaum wird dann mit einem Kolben von der Kammer in eine Gießform gedrückt.

Die DE 197 34 394 A1 offenbart ein Verfahren, bei dem zur Herstellung eines Formteils aus einem Metallschaum ebenfalls von einem kompaktierten Halbzeug ausgegangen wird. Nach einer Alternative kann als Ausgangsstoff auch nichtaufschäumbares Metall hergenommen und der Schmelze zur Bildung eines Metall schaums Gas oder ein Treibmittel separat zugeführt werden.

Aus DE 42 06 303 C1 ist es bekannt zur Herstellung von Form körpern aus Metallschaum ein kompaktiertes Ausgangsmaterial herzunehmen, welches durch ein kontinuierliches Strangpress verfahren hergestellt und anschließend zerkleinert wird.

Aus der DE 197 44 300 A1 ist ein weiteres Verfahren zur Her stellung eines aus einem Metallschaum gebildeten Formkörpers bekannt. Dabei wird ein aus einem gasabspaltendem Treibmittel und einem Metallpulver hergestelltes Halbzeug in einem Rezi pienten aufgeheizt. Der sich bildende Metallschaum gelangt in eine stromabwärts nachgeschaltete Gießform.

Die vorgenannten Verfahren erfordern nachteiligerweise die kosten- und zeitaufwendige Herstellung eines kompaktierten Ausgangsmaterials bzw. Halbzeugs. Dazu muß üblicherweise eine besondere Vorrichtung, z. B. eine Strangpresse, zur Verfügung gestellt werden.

Aus der DE 11 64 102 ist ein weiteres Verfahren zur Herstel lung von Formkörpern aus Metallschaum bekannt. Dabei wird ei ne Metallschmelze einem Mischer zugeführt und dort mit einem gasbildenden Stoff gemischt. Das Verfahren erfordert zur Her stellung der Metallschmelze das Vorsehen einer gesonderten Schmelzvorrichtung.

Aus der US 5,865,237 ist ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus einem Metallschaum bekannt. Dabei ist eine beheizbare Kammer vorgesehen, die mit einer Gießform in Ver bindung steht. Ein in der beheizbaren Kammer aufgenommener, pulvermetallurgisch hergestellter, das Metall und ein Treib mittel enthaltender Precursorwerkstoff wird erwärmt, bis ein Metallschaum entsteht. Der Metallschaum wird dann in die Gießform gedrückt.

Die Struktur des Formkörpers hängt vom Befüllen der Kammer, von der Mischungsqualität des Pulvers mit dem Treibmittel und vom Aufheizen des Pulvers in der Kammer ab. Diese Parameter lassen sich nicht immer optimal und reproduzierbar einstel len. Um möglichst wenig Treibmittel zu verlieren und wirt schaftlich zu arbeiten, ist es einerseits günstig schnell aufzuheizen. Andererseits führt ein schnelles Aufheizen zu einer ungleichmäßigen Zell- bzw. Porenstruktur des Formkör pers. Die mit dem bekannten Verfahren hergestellten Bauteile weisen Ungleichmäßigkeiten in ihrer Struktur auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein Verfahren angegeben werden, mit dem auf möglichst einfache und kosten günstige Weise Formkörper aus Metallschaum gleichbleibender Qualität herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 14.

Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers aus Metallschaum mit folgenden Schritten vorgesehen:

a) Bereitstellen eines aus dem Metall gebildeten ersten Pul vers und eines aus einem Treibmittel gebildeten zweiten Pulvers,
b) Zuführen des ersten und zweiten Pulvers einer Extrudier vorrichtung,
c) Fördern des Pulvers in der Extrudiervorrichtung in Rich tung einer Gießform, wobei es geschmolzen und auf die Schmelze ein Druck aufgebracht wird, welcher größer ist als ein durch das Treibmittel hervorgerufener Gasdruck, wobei in der Extrudiervorrichtung (4, 5, 6, 7) ab einer Tem peratur von mehr als 300°C ein Druck von mehr als 1 MPa aufgebracht wird, und
d) Einspritzen der Schmelze in die Gießform, wobei der Druck gleichzeitig auf einen Wert kleiner als der Gasdruck ent spannt und die Form vollständig mit dem sich bildenden Metallschaum gefüllt wird.

Mit dem vorgeschlagenen Verfahren wird eine gute Durch mischung der Schmelze erreicht. Das Aufheizen der Schmelze kann entlang des Förderwegs genau geregelt werden. Indem die Schmelze erst beim Austritt aus der Extrudiervorrichtung in die Gießform entspannt wird, wird eine vollständige und gleichmäßige Füllung der Gießform erzielt. Die Schaumbildung wird in die Gießform verlagert. Die Ausbildung einer durch Verformung bedingten ungleichmäßigen Zell- bzw. Porenstruktur wird vermieden. Die hergestellten Bauteile können mit gleich bleibender Qualität reproduziert werden.

Zweckmäßigerweise hat das erste Pulver einen mittleren Korn durchmesser im Bereich von 50 bis 250 µm, vorzugsweise von 100 µm. Das zweite Pulver kann einen mittleren Korndurchmes ser im Bereich von 5 bis 20 µm, vorzugsweise von 10 µm, ha ben. Nach einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal ist vorgese hen, daß das erste und das zweite Pulver vor dem Zuführen zur Extrudiervorrichtung gemischt wird. Das erste und/oder zweite Pulver kann unter einer in Inertgasatmosphäre der Extrudier vorrichtung zugeführt werden. Dadurch wird eine unerwünschte Oxidation des Pulvers vermieden. Die Qualität der Bauteile und deren Reproduzierbarkeit werden erhöht.

In der Extrudiervorrichtung wird das Pulver auf eine Tempera tur oberhalb der Solidustemperatur aufgeheizt. Vorteilhafter weise wird die Schmelze in der Extrudiervorrichtung auf eine Temperatur von höchstens 50°C, vorzugsweise 20°C, oberhalb der Liquidustemperatur erwärmt. Das gewährleistet eine maximale Expansion der Schmelze. Der durch das Treibmittel in der Schmelze hervorgerufene Gasdruck wird so gering wie möglich gehalten. Um den entstehenden Gasdruck möglichst gering zu halten ist es zweckmäßig, als Treibmittel ein voroxidiertes Treibmittel zu verwenden. Als Treibmittel kann ein Metallhy drid, vorzugsweise TiH₂ oder MgH₂, verwendet werden. Der An teil des Treibmittels am Gesamtgewicht des Pulvers beträgt üblicherweise 0,5 Gew.-%.

Das Fördern wird zweckmäßigerweise durch die Drehbewegung ei ner Schnecke der Extrudiervorrichtung bewirkt. Eine typische Drehgeschwindigkeit sind etwa 100 Umdrehungen pro Minute.

Das Pulver kann dabei in der Extrudiervorrichtung mittels ei ner externen Heizvorrichtung, z. B. mittels äußerer Heizbänder oder einer Induktionsvorrichtung, erwärmt werden. Eine solche Heizvorrichtung ermöglicht eine genaue Einstellung der Auf heizgeschwindigkeit des Pulvers in der Extrudiervorrichtung. So kann eine vorzeitige Zersetzung des Treibmittels und damit eine Expansion der Schmelze vermieden werden. Der Aufbau ei nes geeigneten Drucks kann über bekannte maschinen- und pro zeßtechnische Maßnahmen gesteuert werden. Zweckmäßigerweise wird in der Extrudiervorrichtung ab einer Temperatur von mehr als 300°C ein Druck von mehr als 3 MPa aufgebracht.

Das Einspritzen der Schmelze kann durch eine in Richtung der Gießform gerichtete Axialbewegung der Schnecke bewirkt wer den. Zweckmäßigerweise ist die Extrudiervorrichtung mit einem mechanischen Ventil zum wahlweisen Öffnen und Schließen eines der Schnecke stromabwärts nachgeordneten Vorraums versehen. Eine geeignete Vorrichtung ist beispielsweise aus der US 5,040,589 bekannt, deren Offenbarungsgehalt hiermit einbezo gen wird.

Nach einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal wird die Gießform vorgeheizt. Dadurch wird eine zu rasche Erstarrung der Schmelze im Kontaktbereich mit der Gießform vermieden. Zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens wird als Metall zweckmäßigerweise Magnesium oder eine Magnesiumlegierung ver wendet.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vorrichtung. Eine allgemein mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete Spritzgießma schine weist einen Zuführtrichter 2 auf, der zur Aufnahme von Granulat oder Pulver geeignet ist. Das Granulat oder Pulver wird über eine nicht näher beschriebene Fördervorrichtung zur Zuführöffnung 3 eines Extrudierzylinders 4 gefördert.

Um eine Oxidation des zugeführten Materials zu vermeiden, können die Fördervorrichtung und der Zuführtrichter 2 mit Inertgas gespült werden. Als Inertgas kann in z. B. Argon oder Stickstoff verwendet werden.

Eine im Extrudierzylinder 4 aufgenommene Extrudierschnecke 5 ist drehbar und axial bewegbar. Die Extrudierschnecke 5 weist einen spindelförmig umlaufenden Flügel 6 auf. Das schmelzsei tige Ende der Extrudierschnecke 5 ist mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnet. Der Extrudierzylinder 4 weist an seinem Aus trittsende eine Düse 8 auf. Die Düse 8 mündet in einen An schnitt einer zweiteiligen Gießform 9. Sie kann mittels eines (hier nicht gezeigten) Ventils verschlossen werden. Die bei den Formhälften der Gießform 9 bilden einen Farmhohlraum 10.

Das gegenüberliegende Ende der Extrudierschnecke 5 ist mit einer an sich bekannten Hochgeschwindigkeitseinspritzappara tur 11 verbunden. Diese weist einen Akkumulator 12 und einen Zylinder 13 auf, welcher in einem festen Lager 14, 16 aufge nommen ist. Stromabwärts des Zylinders 13 ist ein Schuß- oder Einspritzstempel 15 angeordnet, der sich in ein Rückdruckla ger einer Kupplung 17 erstreckt. Damit kann in an sich be kannter Weise eine Verbindung mit einer Antriebswelle 18 her gestellt werden, so daß der Einspritzstempel 15 sich bei Be darf nur hin- und herbewegen, nicht aber drehen kann. Die An triebswelle 18 erstreckt sich in herkömmlicher Weise durch einen Drehantrieb 19. Dieser erlaubt eine horizontale Hin- und Herbewegung der Antriebswelle 18 in Abhängigkeit der Be wegung des Einspritzstempels 15. Die Antriebswelle 18 ist an die Extrudierschnecke 5 über eine Antriebskupplung 20 in be kannter Weise gekuppelt, um die Drehbewegung auf die Extru dierschnecke 5 zu übertragen. In gleicher Weise kann damit eine Axialbewegung auf die Extrudierschnecke 5 übertragen werden.

Die Funktion der Vorrichtung ist folgende:
Über den Zuführtrichter 2 wird ein Pulver aufgegeben. Das Pulver besteht aus einer Mg-Legierung, z. B. vom Typ AZ 91. Dieses Pulver weist einen mittleren Korndurchmesser von 100 µm auf. Es ist gemischt mit einem aus MgH₂ Pulver mit einem mittleren Korndurchmesser von 10 µm, welches als Treibmittel dient. Das Treibmittel hat einen Anteil von 0,5 Gew.-% am Pul ver.

Das vorgemischte Pulver wird über eine Fördervorrichtung un ter Inertgasatmosphäre, z. B. Argon-Gas, zur Zuführöffnung 3 des Extrudierzylinders 4 gefördert. Durch die Wirkung der Extrudierschnecke 5 wird das Pulver in Richtung der Düse 8 wei terbewegt. Gleichzeitig wird das Pulver zunehmend aufgeheizt und unter Druck gesetzt. Das Aufheizen des Pulvers erfolgt z. B. durch externe Heizvorrichtungen, z. B. Heizbänder.

Die Extrudierschnecke 5 wird mit etwa 100 Umdrehungen/min. rotiert. Das Pulver wird mit zunehmend geringerem Abstand zur Düse 8 auf eine Temperatur oberhalb der Solidustemperatur von 465°C aufgeheizt. Der Druck in der mit dem Bezugszeichen 21 bezeichneten Vorkammer im Extrudierzylinder 4 beträgt mehr als 3 MPa. Er kann bis zu 50 MPa oder 100 MPa betragen. Kurz vor dem Einspritzen ist die Temperatur etwa 20°C höher als die Liquidustemperatur der Legierung, welche 596°C beträgt. Die Schmelze befindet sich also im vollkommen aufgeschmolze nen Zustand. Sie ist homogen gemischt. Der auf die Schmelze wirkende Druck ist in der Vorkammer 21 größer als der durch das Treibmittel bei der vorgenannten Temperatur erzeugte Gas druck. Die Schmelze schäumt also nicht auf.

Sobald sich genügend Schmelze in der Vorkammer 21 befindet, kann die Düse 8 geöffnet werden. Gleichzeitig wird über die Hochgeschwindigkeitseinspritzvorrichtung 11 das schmelzseiti ge Ende 7 an der Extrudierschnecke 5 in Richtung der Düse 8 geschossen. Die Schmelze gelangt in den Formhohlraum 10. Dort entspannt sich der Druck. Der Gasdruck ist größer als der Um gebungsdruck. Die Schmelze schäumt schlagartig auf und er füllt vollständig den Formhohlraum 10. Vorteilhafterweise können die Formhälften der Gießform 9 vorgeheizt werden.

Selbstverständlich können nicht nur Magnesium oder seine Le gierungen mittels des vorgeschlagenen Verfahrens zu Formkör per aus Metallschaum verarbeitet werden. Es ist auch denkbar andere Leichtmetalle, z. B. Aluminium, mit diesem Verfahren zu verarbeiten. Anstelle des Treibmittels MgH₂ können auch ande re Metallhydride, z. B. TiH₂, benutzt werden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers aus Metall schaum mit folgenden Schritten:

a) Bereitstellen eines aus dem Metall gebildeten ersten Pulvers und eines aus einem Treibmittel gebildeten zweiten Pulvers,
b) Zuführen des ersten und zweiten Pulvers einer Extrudier vorrichtung (4, 5, 6, 7),
c) Fördern des Pulvers in der Extrudiervorrichtung (4, 5, 6, 7) in Richtung einer Gießform (9), wobei es geschmol zen und auf die Schmelze ein Druck aufgebracht wird, welcher größer ist als ein durch das Treibmittel hervorgerufener Gas druck, wobei in der Extrudiervorrichtung (4, 5, 6, 7) ab einer Temperatur von mehr als 300°C ein Druck von mehr als 1 MPa aufgebracht wird, und
d) Einspritzen der Schmelze in die Gießform (9), wobei der Druck auf einen Wert kleiner als der Gasdruck entspannt und die Gießform (9) vollständig mit dem sich bildenden Metall schaum gefüllt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Pulver einen mittleren Korndurchmesser im Bereich von 50 bis 250 µm, vor zugsweise vom 100 µm, hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das zweite Pul ver einen mittleren Korndurchmesser im Bereich von 5 bis 50 µm, vorzugsweise vom 10 µm, hat.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Anspruche, wobei das erste und das zweite Pulver vor dem Zuführen zur Extru diervorrichtung (4, 5, 6, 7) gemischt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste und/oder zweite Pulver unter einer Inertgasatmo sphäre der Extrudiervorrichtung (4, 5, 6, 7) zugeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schmelze in der Extrudiervorrichtung (4, 5, 6, 7) auf eine Temperatur von höchstens 50°C, vorzugsweise 20°C, oberhalb der Liquidustemperatur erwärmt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Treibmittel voroxidiertes Treibmittel verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Treibmittel ein Metallhydrid, vorzugsweise TiH₂ oder MgH₂, verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Pulver in der Extrudiervorrichtung (4, 5, 6, 7) mittels ei ner externen Heizvorrichtung erwärmt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fördern durch die Drehbewegung einer Schnecke (5) der Ex trudiervorrichtung durchgeführt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Extrudiervorrichtung (4, 5, 6, 7) ab einer Temperatur von mehr als 300°C ein Druck von mehr als 3 MPa aufgebracht wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einspritzen der Schmelze durch eine in Richtung der Gieß form (9) gerichtete Axialbewegung der Schnecke (5) bewirkt wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gießform (5) vorgeheizt wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei als Metall Magnesium oder eine Magnesiumlegierung verwendet wird.