DE10104339A1 - Verfahren zur Herstellung von Metallschaum und danach hergestellter Metallkörper - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Metallschaum und einen danach hergestellten Metallkörper. DOLLAR A Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zur Herstellung von Metallschaum durch Zugabe eines Treibmittels zu einer Metallschmelze, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man die Metallschmelze in einen Formhohlraum einbringt und mit einem gasabspaltenden, bei Raumtemperatur festen Treibmittel ausschäumt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Me­ tallschaum, insbesondere von Metallschaum aus Aluminiumwerk­ stoffen sowie einen nach diesem Verfahren hergestellten Metall­ körper, zum Beispiel ein Bauteil aus einem solchen Aluminium­ werkstoff.

Es ist bekannt, Bauteile aus geschäumten metallischen Werkstof­ fen herzustellen. Diese zeichnen sich durch leichte Bauweise, Steifigkeit, Druckfestigkeit, verbesserte mechanische und akus­ tische Dämpfung u. a. aus. So werden zum Beispiel Gießkerne aus Aluminiumschaum mit einem Aluminiumwerkstoff umgossen oder sol­ che als Formteile in ein Bauteil eingelegt. Hülle und Kern bzw. Formteil werden getrennt hergestellt und anschließend miteinan­ der verbunden. Dies hat neben dem hohen Fertigungsaufwand auch eine geringe Fertigungsqualität zur Folge.

Die Basis von schaumfähigen Aluminiumhalbzeugen ist verdüstes Aluminiumpulver, welchem ein Treibmittel zugemischt wird. So wird zum Beispiel nach der DE-A-197 44 300 ein aus einer Pul­ vermischung gepresster Körper in einem beheizbaren, geschlos­ senen Gefäß auf Temperaturen oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels und/oder der Schmelztemperatur des Metalls er­ wärmt.

Das Pulver wird verdichtet und das so entstandene Formteil wird in den auszuschäumenden Bereich eines Bauteils eingelegt und durch eine Erwärmung auf bis zu 650°C geschäumt. Dabei kann die "Hülle" unzulässigen Verformungen unterliegen oder der Schäumvorgang erfolgt ungleichmäßig.

Möglich ist ebenso ein Sintern metallischer Hohlkugeln oder eine Infiltration von Metallschmelzen in Kerne bzw. Füllkörper, die nach Erstarrung der Schmelze entfernt werden.

Nach einem Verfahren gemäss der JP-A-03017236 werden metalli­ sche Artikel mit Hohlräumen dadurch erzeugt, dass Gase in einer Metallschmelze gelöst werden und der Aufschäumvorgang durch plötzliche Druckverringerung eingeleitet wird. Durch Abkühlen der Schmelze wird der Schaum stabilisiert.

Der Lehre der JP-A-09241780 folgend, wird metallischer Schaum unter kontrollierter Freisetzung von Treibgasen gewonnen, indem ein Metall zunächst bei Temperaturen unterhalb der Zersetzungs­ temperatur des verwendeten Treibmittels geschmolzen wird. Durch anschließendes Dispergieren des Treibmittels im geschmolzenen Metall und Erhitzen der Matrix über die dann zur Freisetzung von Treibgasen benötigte Temperatur etabliert sich ein Metall­ schaum.

Vorbekannt ist das Gießen von Metallteilen mit verlorenem Schaum gemäss EP-B-0 461 052. Die WO 92/21457 beschreibt die Herstellung von Aluminiumschaum dergestalt, dass Gas unter die Oberfläche eines geschmolzenen Metalls eingeblasen wird, wobei Abrasivstoffe als Stabilisatoren dienen.

Die EP-B-0 666 784 beschreibt ein Verfahren zum Formgießen eines mittels Teilchen stabilisierten Metallschaums, insbesondere eine Aluminiumlegierung, indem ein Verbund aus einer Metallmatrix und fein verteilten festen Stabilisierungsteilchen über die Solidustemperatur der Metallmatrix erwärmt wird, und Gasblasen in den geschmolzenen Metallverbund unterhalb dessen Oberfläche abgelassen werden, um dadurch einen stabilisierten flüssigen Schaum an der Oberfläche des geschmolzenen Metallverbundes auszubilden. Kennzeichnend ist ein Formgießen des Metallschaumes durch Pressen des stabilisierten flüssigen Schaumes in eine Form und mit einem Druck, der nur ausreicht, dass der flüssige Schaum die Gestalt der Form annimmt, ohne dass die Zellen des Schaums wesentlich komprimiert werden und nachfolgendes Kühlen und Verfestigen des Schaums, um einen geformten Gegenstand zu erhalten. Der Schaum wird hierbei mittels einer beweglichen Platte in die Form gedrückt. Eine erste bewegliche Platte drückt den flüssigen Schaum in die Form und am geformten Schaumgegenstand wird eine glatte Oberfläche ausgebildet. Eine zweite bewegliche Platte wird in den Schaum innerhalb der Form gedrückt, um am Schaumgegenstand glatte Innenflächen auszubilden. Die Formgebung kann aber auch mittels Rollen erfolgen.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Me­ tallschaum lehrt die EP-A-0 804 982. Hierbei erfolgt das Aufschäumen in einer beheizbaren Kammer außerhalb einer Gussform, wobei das Volumen des in die Kammer eingebrachten pulvermetallurgischen Ausgangsmaterials für den Metallschaum in seiner mit der gesamten Schäumkapazität aufgeschäumten Phase dem Volumen einer Füllung der Gussform im Wesentlichen entspricht. Aller in der Kammer befindliche Metallschaum wird in die Gussform gedrückt, in der ein Aufschäumen mit der restlichen Schäumkapazität fortgesetzt wird, bis zum vollständigen Ausfüllen der Gussform. Die Gussform ist eine Sand- oder Keramikform, der Metallschaum wird als Halbzeug in die Kammer eingebracht und erst nach dem Aufschäumen zum Beispiel mittels eines Kolbens in die Gussform gedrückt. Beim Drücken des Schaumes in die Form wird dieser geschert. Die Form wird nicht mit einem Schaum von an sich gewollt inhomogener Struktur gefüllt.

Die DE-A-195 01 508 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlraumprofils mit reduziertem Gewicht und erhöhter Steifigkeit, zum Beispiel ein Bauteil für das Fahrwerk eines Kraftfahrzeuges. Dieses besteht aus Aluminiumdruckguss und in dessen Hohlräumen befindet sich ein Kern aus Aluminiumschaum. Der integrierte Schaumkern wird auf pulvermetallurgischem Weg hergestellt und anschließend an der Innenwand eines Gießwerkzeuges fixiert und mittels Druckgießverfahren mit Metall umgossen.

Das Lösen bzw. Einblasen von Treibgasen in Metallschmelzen ist nicht zur Herstellung endkonturnaher Bauteile geeignet, da ein System, bestehend aus Schmelze mit okkludierten Gasblasen nicht ausreichend zeitstabil ist, um in formgebenden Werkzeugen ver­ arbeitet zu werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein einfaches und für die Massenfertigung taugliches Verfahren zur Herstellung von Me­ tallschaum bereit zu stellen, welches mit geringem Aufwand die Herstellung von endkonturnahen Metallkörpern gestattet.

Die Lösung der vorgenannten Aufgabe besteht in einer ersten Ausführungsform in einem Verfahren zur Herstellung von Metall­ schaum durch Zugabe eines Treibmittels zu einer Metallschmelze, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man die Metallschmelze in einen Formhohlraum einbringt und mit einem gasabspaltenden, bei Raumtemperatur festen Treibmittel ausschäumt.

Überraschend wurde gefunden, dass sich insbesondere Leichtme­ tallschäume zum Beispiel aus Aluminium oder Aluminiumlegierun­ gen als Integralschäume, d. h. mit geschlossener Außenhaut, ge­ zielt als Gradientenwerkstoff und endkonturnah in einem Schritt durch einen Gießvorgang, zum Beispiel in einer handelsüblichen Druckgießmaschine herstellen lassen, beruhend auf der Verwen­ dung fester, gasabspaltender Treibmittel, zum Beispiel eines Metallhydrids, insbesondere eines Leichtmetallhydrids.

Beim Druckgießen im Sinne der vorliegenden Erfindung wird flüs­ siges oder breiiges Metall mit hohem Druck in eine Form ge­ drückt, die den Formhohlraum darstellt. Beim Warmkammer-Verfah­ ren wird das Metall direkt aus dem Schmelzraum mit bis ca. 10⁷ Pa in die Form gespritzt, beim erfindungsgemäß bevorzugten Kaltkammer-Verfahren, zum Beispiel für Werkstoffe aus Al- und Mg-Legierungen wird die Schmelze erst in eine kalte Zwischen­ kammer und von dort mit mehr als 10⁸ Pa in die Form gepresst. Die Gießleistung des Warmkammer-Verfahrens ist höher, aller­ dings auch die Abnutzung der Anlage. Die Vorzüge des Druckgus­ ses liegen in der guten Werkstoff-Festigkeit, der sauberen Oberfläche, der hohen Maßgenauigkeit, den geringen erforderli­ chen Wanddicken, der Möglichkeit komplexer Gußstückgestaltung und der hohen Arbeitsgeschwindigkeit. Diese Vorteile können durch Unterdruck (Vakuum) in der Kokille weiter verbessert wer­ den. Vorteilhaft einsetzbar sind hierbei am Markt erhältliche, echtzeitgeregelte Druckgießmaschinen.

Der erfindungsgemäß bevorzugte Verfahrensablauf umfasst das Einfüllen des erforderlichen Volumens an Metallschmelze in die Füll- bzw. Gießkammer und deren Einbringen in einen Formhohl­ raum unter Zugabe des Treibmittels zu der Metallschmelze. Me­ tallschmelze und Treibmittel werden in einer bevorzugten Aus­ führungsform in dem Formhohlraum zusammengebracht, wobei die Form volumendefiniert mit dem Schmelze-Treibmittelgemisch ge­ füllt respektive unterfüllt wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Treib­ mittel nicht direkt in den Formhohlraum, sondern in einer Füll- oder Gießkammer mit der Metallschmelze in Kontakt gebracht und das Gemisch anschließend in den Formhohlraum eingebracht.

Das Einbringen des Treibmittels in die Füll- oder Gießkammer einerseits und/oder den Formhohlraum andererseits kann vor, während und/oder nach dem Einbringen der Metallschmelze in die jeweilige Kammer erfolgen. Von Bedeutung für die vorliegende Erfindung ist jedoch, dass die Ausschäumung bedingt durch die Gasabspaltung des Treibmittels im wesentlichen erst im Form­ hohlraum erfolgt.

Das Ausschäumen selbst erfolgt in dem Formhohlraum, der eine geschlossene Form darstellt. Diese kann jedoch, wie beim Druck­ gießen oder dergleichen üblich über Steigkanäle zur Entlüftung verfügen. Danach erfolgt das Ausstoßen des im wesentlichen ge­ schäumten Metallkörpers.

In einer weiteren Ausgestaltung wird das Treibmittel direkt in der Füll- oder Gießkammer oder in der Formkavität zur Metall­ schmelze hinzugegeben, wobei jeweils in einem Arbeitsgang in­ tegral geschäumte Metallkörper hergestellt werden. Diese weisen eine glatte Oberfläche auf, deren Bildung gut reproduzierbar ist. Infolge der möglichen Sprühfüllung sind unterschiedliche Wandstärken gut einstellbar. Die Wandungen sind allseitig ge­ schlossen, sauber, dicht und homogen. Eine Nachbehandlung ist in der Regel nicht erforderlich. Nach innen sind die herge­ stellten Metallkörper zunehmend porös und weisen einen Dichte­ gradienten auf.

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.

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.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel nä­ her beschrieben.

Ausführungsbeispiel

In einer handelsüblichen Druckgießmaschine sollte ein Fahrzeug­ teil aus einem Aluminiumwerkstoff als integral geschäumter Me­ tallkörper hergestellt werden. Hierzu wurde eine Gießkammer der Druckgießmaschine mit einer entsprechenden Menge an Metall­ schmelze gefüllt. In die geschlossene Gießkammer wurde als Treibmittel Magnesiumhydrid in Pulverform dem flüssigen Metall zugegeben. Nahezu gleichzeitig begann ein schnelles Einschieben des Gemisches aus Treibmittel und Metallschmelze in dem Form­ hohlraum. Der Formhohlraum wurde volumendefiniert unterfüllt. Durch die entstehenden Turbulenzen erfolgte eine gute Durchmi­ schung in dem Formhohlraum und das Ausschäumen. Durch die Sprühfüllung erstarrte das Metall an den Formwänden und bildete eine dichte und homogene Wandung des Metallkörpers aus, wobei sowohl die Wandstärken als auch die Porösität und deren Gra­ dient durch Variation von Verfahrensparametern einstellbar wa­ ren.

Der "Schuss" erfolgte vor der Schaumbildung; der Schäumungspro­ zess lief in situ in dem Formhohlraum ab. Es wurde schnell in die kalte Form geschäumt. Das Bauteil wies eine Masse von nur ca. 40% gegenüber konventionellen Druckgießteilen auf.

Der gemäss dem Beispiel hergestellte Metallkörper aus einem Aluminiumwerkstoff wies zwar eine geringere Dichte als Magne­ sium auf, aber etwa dessen Verwindungssteifigkeit.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung von Metallschaum durch Zugabe eines Treibmittels zu einer Metallschmelze, dadurch gekennzeichnet, dass man die Metallschmelze in einen Formhohlraum einbringt und mit einem gasabspaltenden, bei Raumtemperatur festen Treibmittel ausschäumt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den Formhohlraum volumendefiniert füllt oder unterfüllt und das Schäumen in einem nicht beheizten Formhohlraum erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man das Treibmittel in einer Füll- oder Gießkammer mit der Metallschmelze in Kontakt bringt und anschließend das Gemisch in den Formhohlraum einbringt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man das Treibmittel in den Formhohlraum einbringt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man das Treibmittel vor, nach und/oder während des Einbringens der Metallschmelze in den Formhohlraum in diesen einbringt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass man eine Metallschmelze aus Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium- oder einer Aluminiumlegierung einsetzt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Metall-Druckgießmaschine ein­ setzt.

8. Metallkörper, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.

9. Metallkörper nach Anspruch 7 mit einer allseitig geschlos­ senen Oberfläche und einer Hohlstruktur im Innern.