DE10163489B4

DE10163489B4 - Flächiger, metallischer Integralschaum

Info

Publication number: DE10163489B4
Application number: DE10163489A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dr. Knott; Andreas Dr. Weier; Dagmar Windbiel
Original assignee: Evonik Goldschmidt GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2010-08-19
Anticipated expiration: 2021-12-22
Also published as: DE10163489A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von flächigen Metallintegralschaumteilen durch Zugabe eines bei Raumtemperatur festen, gasabspaltenden Treibmittels zu einer Metallschmelze, dadurch gekennzeichnet, dass man die Metallschmelze auf einen flächigen Träger aufbringt und mit dem Treibmittel in Kontakt bringt, wobei sich auf dem Träger eine Metallschaumstruktur entwickelt.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Metallschäumen sowie die auf diesem Wege erhaltenen Metallintegralschaumteile.
Der Stand der Technik zur Herstellung von Metallschäumen umfasst im Wesentlichen fünf prinzipielle Vorgehensweisen:

1. das Kompaktieren von Metallpulvern mit geeigneten Treibmitteln und Erhitzen der so gewonnenen Grünkörper auf Temperaturen oberhalb der Liquidustemperatur der Metallmatrix und oberhalb der Zersetzungstemperatur des verwendeten Treibmittels;
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 197 44 300 A1 beschäftigt sich mit der Herstellung und Verwendung von porösen Leichtmetall-Teilen bzw. Leichtmetall-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 Zersetzungstemperatur des Treibmittels und/oder Schmelztemperatur des Metalls 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 stabilisiert den so erhaltenen Schaum.

Die WO 92/21457 A1 lehrt die Herstellung von Al-Schaum bzw. Al-Legierungsschaum 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 gewonnen, 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 Aluminiums 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 195 01 508 C1 beschäftigt sich mit einem Bauteil für das Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs, welches aus Aluminiumdruckguss besteht und ein Hohlraumprofil aufweist, in dessen Innerem sich ein Kern aus Aluminiumschaum befindet. Der integrierte Aluminiumschaumkern wird zuvor auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt, dann an der Innenwand eines Gusswerkzeugs fixiert und danach im Druckgussverfahren mit Metall umgossen.
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 Temperaturdifferenz zwischen dem Schmelzpunkt des zu schäumenden Metalls und der Zersetzungstemperatur des verwendeten Treibmittels möglichst gering sein soll, da sonst bereits während des Kompaktierens oder später in der Aufschmelzphase störende Treibmittelzersetzung stattfindet. In Analogie dazu gilt diese Betrachtung auch für das Eintragen von Treibmitteln in Metallschmelzen.
Dem Versintern präformierter Hohlkugeln zu einem metallischen Schaum kommt allenfalls akademisches Interesse zu, da die Herstellung der Hohlkugeln bereits eine aufwendige Verfahrenstechnik erfordert.
Unter diesem Aspekt ist auch die Infiltrationstechnik zu bewerten, bei der man mühevoll den porösen Füllstoff aus der Schaummatrix 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 einfaches und zugleich für die Massenfertigung verbessertes Verfahren zur Herstellung von flächigen, geschäumten Metallstrukturen mit teilweise oder vollständig geschlossener Außenhaut bereitzustellen, dass mit geringem Aufwand die Produktion von endkonturnahen Werkstücken gestattet und auf der Verwendung fester, gasabspaltender Treibmittel beruht.
Die vorgenannte Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von flächigen Metallintegralschaumteilen durch Zugabe eines gasabspaltenden, bei Raumtemperatur festen Treibmittels zu einer Metallschmelze, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man die Metallschmelze auf einen flächigen Träger aufbringt, wobei sich auf dem Träger eine Metallschaumstruktur entwickelt.
Die notwendige Vermischung von flüssigem Metall und Treibmittel kann beispielsweise vor dem gemeinsamen Aufbringen, insbesondere durch einen Statikmischer, während des Aufbringens durch ein Düsensystem oder auch nach dem Aufbringen durch eine Rakel erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform kann auch eine Mischung von flüssigem Metall und festem Treibmittel durch eine Lanze in den Hohlraum zwischen zwei geraden oder vorgeformten flächigen Metallblechen eingebracht werden, sodass sich ein Schaum bildet, der den Abstand zwischen den beiden vorgegebenen Deckschichten ausfüllt.
Kennzeichnend bei den vorgenannten Ausführungsformen des vorliegenden Verfahrens ist, dass sich der Schaum im wesentlichen erst auf der verwendeten, flächigen Trägerstruktur bildet und nicht als schon vorgebildetes Material unter Scherung auf den flächigen Träger gebracht wird. Das hat den Vorteil, dass sich nicht wie bei geschertem Schaum üblich, ein anisotroper Schaum ausbildet, sondern dass sich im Gegenteil Strukturen ausbilden, bei denen die Schaumblasen nicht signifikant in einer Richtung gestreckt sind durch eine Scherung vorhandenen Schaums während des Produktionsprozesses.
Die Höhe des entstehenden Schaumes kann reguliert werden, sowohl durch die Abkühlgeschwindigkeit der entstehenden Metalltreibmittelmischung auf dem flächigen Träger als auch durch das kontinuierliche Zulaminieren eines flächigen Abdeckmaterials in einem Rollensystem oder durch Einwirkung einer Walze mit einer Walzentemperatur unterhalb des Schmelzpunktes des verwendeten Metalles in einem kontinuierlichen Reibverfahren.
Der Porositäts- und/oder Dichtegradient über dem Profilquerschnitt des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen flächigen Metallschaumteiles ist durch die Wahl unterschiedlicher Verfahrensparameter in weiten Bereichen frei wählbar. Beispielsweise kann sowohl über die zugesetzte Treibmittelmenge als auch über den gewählten Abstand zwischen Basisschicht und Deckschicht oder Deckwalze und/oder auch über die über die Walzentemperierung vorgegebene Abkühlrate eine Anpassung der Treibmittelzersetzung an den Erstarrungsprozess erfolgen.
Auch die zusätzliche Verzögerung des Abkühlprozesses durch Einbringen von thermischer Energie, sei es durch Strahlung oder Heizung der Basisschicht und/oder der oberen Deckschicht der flächigen Struktur ist möglich. Das Treibmittel sollte hinsichtlich seiner Zersetzungstemperatur auf die Schmelztemperatur des Gießwerkstoffes (Metallschmelze) abgestimmt sein. Die Zersetzung sollte erst bei oder oberhalb von 100°C beginnen und sollte nicht höher als ca. 150°C oberhalb der Schmelztemperatur der Metallschmelze sein.
Die Menge des einzusetzenden Treibmittels richtet sich nach den erforderlichen Gegebenheiten. Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung wird das Treibmittel mit 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 besonders Leichtmetallhydride wie Titanhydrid und/oder Magnesiumhydrid. Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung ist autokatalytisch hergestelltes Magnesiumhydrid, das beispielsweise unter der Bezeichnung „TEGO Magnan^®„ vertrieben wird.
In gleicher Weise sind aber auch andere Hydride, Carbonate, Hydrate und/oder leicht verdampfbare Stoffe zusätzlich oder anstelle der Leichmetallhydride einsetzbar, die auch im Stand der Technik bereits für die Verschäumung von Metallen eingesetzt worden sind.
Neben anderen frei wählbaren Verfahrensparametern gestattet bereits die Auswahl der verwendeten Treibmittel nach ihrer Art und Menge eine Kontrolle der erzielten Enddichte im geschäumten Metallteil.
Bezogen auf Vollmaterial kann der Metallanteil im hergestellten Metallkörper im Bereich von 5 bis 95 Volumen- oder Gew.-% liegen, in Abhängigkeit vom Volumen und der Dicke des Metallkörpers. Dabei spricht ein niedriges Verhältnis von Volumen zur Oberfläche für höhere Füllgrade.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnenen Flachprofile können sowohl Kombinationen aus einer Grundschicht, einem Schaum und gegebenenfalls einer Deckschicht aus einem gleichartigen Metall wie auch aus verschiedenen Metallen sein.
Die Erfindung wird anhand nachfolgender Beispiele erläutert.
Beispiel 1:
1 g autokatalytisch hergestellten Magnesiumhydrids (Tego Magnan^®) wurden gleichmäßig auf die Oberfläche einer Stahlschiene aufgetragen und dann mit 50 g schmelzflüssigen Aluminiummetalls (T ca. 760°C) übergossen. In einem schmalen Zeitfenster erfolgten sowohl die zu beobachtende Treibmittelzersetzung als auch die Erstarrung der metallischen Matrix.
Die erkaltete Aluminiumplatte wurde vom Stahlträger abgelöst und einer metallographischen Untersuchung zugeführt. 1 dokumentiert die poröse Struktur des gewonnenen Leichtmetallschaumes, der eine Raumdichte von ca. 1,2 g/cm³ besitzt.
Beispiel 2:
In Analogie zu Beispiel 1 wurden 4 g Titanhydrid gleichmäßig auf die Oberfläche einer Stahlschiene aufgetragen und dann mit 50 g schmelzflüssigen Aluminiummetalls (T ca. 760°C) übergossen. Nach Erstarren und Abkühlen des flächigen Aluminiumteils wurde dieses metallographisch untersucht. 2 zeigt die poröse Struktur des erhaltenen Aluminiumschaums mit einer Raumdichte von ca. 2,1 g/cm³.

Claims

Verfahren zur Herstellung von flächigen Metallintegralschaumteilen durch Zugabe eines bei Raumtemperatur festen, gasabspaltenden Treibmittels zu einer Metallschmelze, dadurch gekennzeichnet, dass man die Metallschmelze auf einen flächigen Träger aufbringt und mit dem Treibmittel in Kontakt bringt, wobei sich auf dem Träger eine Metallschaumstruktur entwickelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Metallschmelze und Treibmittel vor dem gemeinsamen Aufbringen auf den Träger, insbesondere durch einen Statikmischer vermischt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Metallschmelze und Treibmittel während des Aufbringens auf den Träger durch ein Düsensystem vermischt.
verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Metallschmelze und Treibmittel nach dem Aufbringen auf den Träger durch eine Rakel vermischt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Mischung von flüssigem Metall und festem Treibmittel mittels einer Lanze in einen Hohlraum zwischen zwei gerade oder vorgeformte flächige Metallbleche einbringt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man die Höhe des Metallschaums durch Einstellung der Abkühlgeschwindigkeit der Metalltreibmittelmischung, durch das kontinuierliche Zulaminieren eines flächigen Abdeckmaterials in einem Rollensystem oder durch Einwirkung einer Walze mit einer Walzentemperatur unterhalb des Schmelzpunktes der verwendeten Metallschmelze in einem kontinuierlichen Reibverfahren einstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man den Porositäts- und/oder Dichtegradient über den Profilquerschnitt durch Einstellen von Verfahrensparametern, insbesondere über die zugesetzte Treibmittelmenge, den gewählten Abstand zwischen Basisschicht und Deckschicht oder Deckwalze und/oder durch die durch Walzentemperierung vorgegebene Abkühlrate vorbestimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man den Abkühlprozess durch Einbringen von thermischer Energie, insbesondere durch Strahlung oder Heizung der Basisschicht und/oder der oberen Deckschicht der flächigen Struktur verlangsamt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass man Treibmittel mit einer Zersetzungstemperatur im Bereich von 100°C bis 150°C oberhalb der Schmelztemperatur der Metallschmelze einsetzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass man Treibmittel in einer Menge von 0,1 bis 10 Gew.-%, insbesondere 0,2 bis 1 Gew.-%, bezogen auf die Metallschmelze einsetzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass man Treibmittel einsetzt, die ausgewählt sind aus Leichtmetallhydriden, insbesondere Titanhydrid und/oder Magnesiumhydrid, besonders autokatalytisch hergestelltes Magnesiumhydrid.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass man Treibmittel einsetzt, die ausgewählt sind aus Carbonaten, Hydraten und/oder leicht verdampfbaren Stoffen.
Flächige Metallintegralschaumteile erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallanteil im Metallkörper im Bereich von 5 bis 95 Volumen- oder Gew.-% liegt.
Metallintegralschaumteile nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachprofile eine Kombination aus einer Grundschicht, einem Schaum und gegebenenfalls einer Deckschicht aus einem gleichartigen, wie auch einem verschiedenartigen Metall ist.