DE10104338A1 - Herstellung flächiger, metallischer Integralschäume - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Metallschäumen sowie die auf diesem Wege erhaltenen schauförmigen Metallkörper. DOLLAR A Das Verfahren zur Herstellung von flächigem Metallintegralschaum durch Zugabe eines Treibmittels zu einer Metallschmelze ist dadurch gekennzeichnet, dass man die Metallschmelze kontinuierlich in einen Walzenspalt einbringt und mit einem gasabspaltenden, bei Raumtemperatur festen Treibmittel in Kontakt bringt, im Walzgerüst umformt und zu einem flächigen Metallintegralschaum auschäumt.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Metallschäumen sowie die auf diesem Wege erhaltenen schaumför­ migen Metallkörper.

Der Stand der Technik zur Herstellung von Metallschäumen umfaßt im Wesentlichen fünf prinzipielle Vorgehensweisen:

• 1. das Kompaktieren von Metallpulvern mit geeigneten Treibmit­ teln und Erhitzen der so gewonnenen Grünkörper auf Tempera­ turen oberhalb der Liquidustemperatur der Metallmatrix und oberhalb der Zersetzungstemperatur des verwendeten Treibmit­ tels;
• 2. das Lösen bzw. Einblasen von Treibgasen in Metallschmelzen;
• 3. das Einrühren von Treibmitteln in Metallschmelzen;
• 4. das Sintern metallischer Hohlkugeln;
• 5. die Infiltration von Metallschmelzen in Füllkörper, die nach Erstarren der Schmelze entfernt werden.

ad 1) Die DE-A-197 44 300 beschäftigt sich mit der Herstellung und Verwendung von porösen Leichtmetall-Teilen bzw. Leichtme­ tall-Legierungsteilen, wobei die aus einer Pulvermischung (Leichtmetall- bzw. Al-Legierung und Treibmittel) gepressten Körper in einem beheizbaren geschlossenen Gefäß mit Einlass- und Austrittsöffnung auf Temperaturen oberhalb der Zersetzungs­ temperatur des Treibmittels und/oder Schmelztemperatur des Me­ talls bzw. der Legierung erhitzt werden.

ad 2) Die JP-A-03017236 beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung metallischer Artikel mit Hohlräumen, indem man Gase in einer Metallschmelze löst und den Aufschäumvorgang dann durch plötzliche Druckverringerung einleitet. Abkühlen der Schmelze stabi­ lisiert den so erhaltenen Schaum.

Die WO 92/21457 lehrt die Herstellung von Al-Schaum bzw. Al-Le­ gierungsschaum durch das Einblasen von Gas unter die Oberfläche eines geschmolzenen Metalls, wobei Abrasivstoffe, wie z. B. SiC, ZrO₂ usw., als Stabilisatoren dienen.

ad 3) Der Lehre der JP-A-09241780 folgend, werden metallische Schäume unter kontrollierter Freisetzung von Treibgasen gewon­ nen, indem die Metalle zunächst bei Temperaturen unterhalb der Zersetzungstemperatur des verwendeten Treibmittels geschmolzen werden. Durch nachfolgendes Dispergieren des Treibmittels im geschmolzenen Metall und Erhitzen der Matrix über die dann zur Freisetzung von Treibgasen benötigte Temperatur etabliert sich ein Metallschaum.

ad 4) Die Herstellung ultraleichter Ti-6Al-4V-Hohlkugelschäume beruht auf der bei Temperaturen 1000°C erfolgenden Sinterung hydrierter Ti-6Al-4V-Hohlkugeln bei 600°C (Synth./Process. Lightweight Met. Mater. II, Proc. Symp. 2nd (1997), 289-300).

ad 5) Schaumaluminium wird nach Infiltration geschmolzenen Alu­ miniums in einen porösen Füllstoff durch Entfernen desselben aus dem erstarrten Metall erhalten (Zhuzao Bianjibu (1997) (2) 1-4; ZHUZET, ISSN: 1001-4977).

Von besonderem Interesse sind darüber hinaus Bauteile mit einem Hohlraumprofil zur Gewichtsreduzierung und Erhöhung ihrer Stei­ figkeit. Die DE-A-195 01 508 beschäftigt sich mit einem Bauteil für das Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs, welches aus Aluminium­ druckguss besteht und ein Hohlraumprofil aufweist, in dessen Inneren sich ein Kern aus Aluminiumschaum befindet. Der inte­ grierte Aluminiumschaumkern wird zuvor auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt, dann an der Innenwand eines Gusswerk­ zeugs fixiert und danach im Druckgussverfahren mit Metall um­ gossen.

Bei Würdigung des Standes der Technik ist festzustellen, dass die Verfahren, die ein Vorkompaktieren Treibmittel enthaltender Grünkörper vorsehen, aufwendig und kostspielig sind und sich nicht zur Herstellung von Massengütern eignen. Außerdem ist diesen Verfahren gemeinsam, dass die angestrebte Temperatur­ differenz zwischen dem Schmelzpunkt des zu schäumenden Metalls und der Zersetzungstemperatur des verwendeten Treibmittels mög­ lichst gering sein soll, da sonst bereits während des Kompak­ tierens oder später in der Aufschmelzphase störende Treibmit­ telzersetzung stattfindet. In Analogie dazu gilt diese Betrachtung auch für das Eintragen von Treibmitteln in Metall­ schmelzen.

Dem Versintern präformierter Hohlkugeln zu einem metallischen Schaum kommt allenfalls akademisches Interesse zu, da die Her­ stellung der Hohlkugeln bereits eine aufwendige Verfahrenstech­ nik erfordert.

Unter diesem Aspekt ist auch die Infiltrationstechnik zu bewer­ ten, bei der man mühevoll den porösen Füllstoff aus der Schaum­ matrix entfernen muss.

Das Lösen bzw. Einblasen von Treibgasen in Metallschmelzen ist nicht zur Fertigung endkonturnaher Werkstücke geeignet, da ein System aus Schmelze mit okkludierten Gasblasen nicht ausrei­ chend zeitstabil ist, um in formgebenden Werkzeugen verarbeitet zu werden.

Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der Erfindung, ein einfa­ ches und zugleich für die Massenfertigung taugliches Verfahren zur Herstellung von flächigen metallischen Integralschäumen mit geschlossener Außenhaut bereitzustellen, das mit geringem Aufwand die Produktion von endkonturnahen Teilen gestattet und auf der Verwendung fester, gasabspaltender Treibmittel beruht.

Die vorgenannte Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von flächigem Me­ tallintegralschaum durch Zugabe eines Treibmittels zu einer Me­ tallschmelze, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man die Me­ tallschmelze kontinuierlich in einen Walzenspalt einbringt und mit einem gasabspaltenden, bei Raumtemperatur festen Treibmit­ tel in Kontakt bringt, im Walzgerüst umformt und zu einem flä­ chigen Metallintegralschaum ausschäumt.

Erstaunlicherweise wurde nun gefunden, dass sich insbesondere Leichtmetallschäume aber auch Eisenmetalle oder Edelmetalle als Integralschäume, das heißt mit geschlossener Außenhaut endkonturentsprechend in einem Schritt auf einer handelsübli­ chen Bandgießanlage fertigen lassen, indem man dem zu verschäu­ menden, flüssigen Metall vor dem Auswalzen eine geringe Menge eines gasfreisetzenden festen Treibmittels hinzufügt und dann die Matrix in einem Walzgerüst zur gewünschten Endgeometrie druckumformt. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonne­ nen Flachprofile bestehen in ihrem Inneren aus einem mikrozel­ lulären Integralschaum großer Homogenität, der in eine Randzone massiven Metalls, die die Außenflächen begrenzt, eingeschlos­ sen ist.

Der Porositäts- bzw. Dichtegradient über den Profilquerschnitt des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Metallban­ des ist durch die Wahl unterschiedlicher Verfahrensparameter in weiten Bereichen frei wählbar. Beispielsweise kann sowohl über die zugesetzte Treibmittelmenge, als auch über die ge­ wählte Spaltbreite und/oder auch über die durch die Walzentemperierung vorgegebene Abkühlrate eine Anpassung der Treibmit­ telzersetzung an den Erstarrungsprozess erfolgen.

Das Inkontaktbringen des festen Treibmittels mit der Metall­ schmelze kann auf die verschiedenste Art und Weise erfolgen. Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung ist es, das Treibmittel durch Injektion, Aufstreuen und/oder Einspulen eines mit dem Treibmittel gefüllten Metalldrahtes mit der Me­ tallschmelze in Kontakt zu bringen.

Das Treibmittel sollte hinsichtlich seiner Zersetzungstempera­ tur auf die Schmelztemperatur des Gießwerkstoffes (Metall­ schmelze) abgestimmt sein. Die Zersetzung darf erst oberhalb von 100°C beginnen und sollte nicht höher als ca. 150°C ober­ halb der Schmelztemperatur sein.

Die Menge des einzusetzenden Treibmittels richtet sich nach den erforderlichen Gegebenheiten. Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung wird das Treibmittel in einer Menge von 0,1 bis 10 Gew.-%, insbesondere 0,2 bis 1 Gew.-%, bezogen auf die Metallschmelze eingesetzt.

Gasabspaltende, bei Raumtemperatur feste Treibmittel umfassen insbesondere Leichtmetallhydride, wie Magnesiumhydrid. Beson­ ders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung ist autoka­ talytisch hergestelltes Magnesiumhydrid, das beispielsweise un­ ter der Bezeichnung TEGO Magnan® von der Anmelderin vertrieben wird. In gleicher Weise sind aber auch Titanhydrid, Carbonate, Hydrate und/oder leicht verdampfbare Stoffe eingesetzt, die auch im Stand der Technik bereits für die Verschäumung von Me­ tallen eingesetzt worden sind.

Bezogen auf Vollmaterial kann der Metallanteil im hergestellten Metallkörper im Bereich von 5 bis 95 Vol.- oder Gew.-% liegen, in Abhängigkeit vom Volumen oder der Dicke des Metallkörpers, wobei ein niedrigeres Verhältnis Volumen zu Oberfläche für hö­ here Füllgrade spricht.

Bandgießanlagen im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen insbesondere kontinuierlich arbeitende Anlagen zum endabmes­ sungsnahen Gießen von Metallen. Dünnes Band (Vorband 15 bis 50 mm, Band < 15 mm, Dünnband < 5 mm) wird in diesen Anlagen direkt aus der Schmelze hergestellt. Die Verfahren arbeiten üblicherweise mit 1 oder 2 Rollen. Prinzipiell lassen Sie sich in zwei Kategorien einordnen:
1. Typ: Die Schmelze erstarrt auf einer einzigen Rolle; als Produkt erhält man ein 1 bis 2 mm dickes Blech.
2. Typ: Die Schmelze erstarrt zwischen 2 Rollen (Double-Rol­ ler); die erreichbare Banddicke liegt je nach Verfahren zwi­ schen 1 und 6 mm.

Mit dem Begriff des "endabmessungsnahen Gießens" bezeichnet man zusammenfassend ein kontinuierliches Verfahren zum direkten Vergießen von Metall, insbesondere Stahlschmelzen zu dünnen Brammen oder Bändern. Direkt bedeutet dabei: ohne Warmzuwalzen. Je nach Abmessungen des bei dieser Umformung erzeugten Produk­ tes spricht man von Dünnbrammen, Vorband oder Band. Gegenüber dem Stranggießen weisen derart hergestellte Produkte ein gleichmäßiges Erstarrungsgefüge auf. Während üblicherweise beim endabmessungsnahen Gießen keine Mittenseigerungen auftreten, werden jedoch mit Hilfe der vorliegenden Erfindung Metall­ schäume mit einer Hohlraumstruktur im Innern und geschlossener äußerer Oberfläche erhalten. Dies liegt insbesondere an der ho­ hen Erstarrungsgeschwindigkeit, die wenig Zeit für Diffusions­ vorgänge lässt. Zur Verhinderung der Oxidation des Metalls ist es möglich, dieses von der Metallaufgabe bis hin zum gegebenen­ falls erforderlichen Warmwalzen unter einer Schutzgasatmosphäre einzukapseln.

Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung werden insbesondere Me­ tallintegralschaumkörper einer Banddicke von 0,1 bis 15 mm, insbesondere 0,2 bis 10 mm erhalten.

Die metallographische Gefügeuntersuchung der nach dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren gewonnenen Metallbleche belegt, dass sich der erhaltene mikrozelluläre Metallschaum dem Idealbild des in der Natur vorgegebenen Säugetierknochens, der in seiner Anlage einem Integralschaum entspricht, annähert.

Folgendes Ausführungsbeispiel soll das erfindungsgemäße Verfah­ ren und die damit erhaltenen Metallschäume erläutern.

Beispiel

Aluminium (99,9%) wurde in einem Tiegel auf ca. 780°C erhitzt und das schmelzflüssige Metall wird mit Hilfe einer Kelle in den Walzenspalt einer kleinen Bandgießanlage (Bandbreite 40 mm) eingebracht (Durchmesser der Gießwalze 300 mm). Tego Magnan ® Magnesiumhydridpulver (98% Hydridgehalt) wurde mit Hilfe einer Rakel gleichförmig auf eine der beiden unbeheizten Kupferwalzen aufgetragen und durch deren Vorschub in das Reservoir geschmolzenen Aluminiums vor dem Walzenspalt transportiert. Der Walzenspalt war auf 3 mm eingestellt und der Vorschub betrug 0,2 m/s. Ein ca. 0,7 mm starkes Blech verließ den Walzenstuhl und wurde nach Erkalten metallographisch untersucht.

Claims (9)

1. verfahren zur Herstellung von flächigem Metallintegral­ schaum durch Zugabe eines Treibmittels zu einer Metall­ schmelze, dadurch gekennzeichnet, dass man die Metallschmelze kontinuierlich in einen Walzenspalt ein­ bringt und mit einem gasabspaltenden, bei Raumtemperatur festen Treibmittel in Kontakt bringt, im Walzgerüst umformt und zu einem flächigen Metallintegralschaum ausschäumt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das Treibmittel durch Injektion, Aufstreuen und/oder Einspulen eines mit dem Treibmittel gefüllten Metalldrahtes mit der Metallschmelze in Kontakt bringt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Metallschmelze aus einem Eisenmetall, Edelme­ tall oder Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium- oder einer Aluminiumlegierung einsetzt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass man das Treibmittel in einer Menge von 0,1 bis 10 Gew.-%, insbesondere 0,2 bis 1 Gew.-%, bezogen auf die Metallschmelze einsetzt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass man als Treibmittel Leichmetallhydride, ins­ besondere Magnesiumhydrid, insbesondere autokatalytisch hergestelltes Magnesiumhydrid und/oder Titanhydrid, Carbo­ nate, Hydrate und/oder leicht verdampfbare Stoffe einsetzt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass man eine Metall-Bandgießanlage einsetzt.

7. Flächiger Metallintegralschaumkörper, hergestellt nach ei­ nem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.

8. Flächiger Metallintegralschaumkörper nach Anspruch 7 mit einer Banddicke von 0,1 bis 15 mm, insbesondere 0,2 bis 10 mm.

9. Flächiger Metallintegralschaumkörper nach Anspruch 7 oder 8 mit einer allseitig geschlossenen Oberfläche und einer Hohlstruktur im Innern.