Beschreibung
Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile
des Standes der Technik zu überwinden,
und einen Formkörper
zur Verwendung als Leichtbaumaterial anzugeben, der eine einheitliche
Porenstruktur aufweist. Weiterhin besteht die Aufgabe, ein Verfahren
zu seiner Herstellung eines derartigen Formkörpers anzugeben, das frei von
den Nachteilen der oben beschriebenen Verfahren ist und bei dem
möglichst
geringe Material- und Verfahrenskosten anfallen. Insbesondere sollte dieses
Verfahren geeignet sein, Bauteile und Formkörper mit einer hohen Komplexität herzustellen.
Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Formkörper
nach Anspruch 1 und 9 und die Verfahren zu deren Herstellung nach
Anspruch 6 und 10. Die Ansprüche
12 bis 14 lehren vorteilhafte Verwendungen der erfindungsgemäßen Formkörper. Unteransprüche geben
vorteilhafte Weiterbildungen an.
Die
erfindungsgemäßen Formkörper aus
einem Kompositwerkstoff auf Basis eines Metalls (Basismetall) enthält nichtmetallische
Hohlkugeln mit einem mittleren Durchmesser, der kleiner als 150
Mikrometer ist. Diese nichtmetallischen Hohlkugeln sind teilweise
oder vollständig
stoffschlüssig,
kraftschlüssig
oder formschlüssig
miteinander verbunden.
Überraschenderweise
wurde nämlich
festgestellt, dass sich Hohlkugelverbünde aus Mikrohohlkugeln, insbesondere
Hohlkugeln aus Glas und/oder Keramik, für die Herstellung eines solchen
Verbundmaterials mittels Schmelzinfiltration eignen, weil die nichtmetallischen
Hohlkugeln den während
des Gießens
auftretenden hohen thermischen und mechanischen Belastungen standhalten.
Wesentliches
Merkmal der Erfindung ist, dass ein sehr leichter Verbundwerkstoff
vorgestellt wird, der durch die Infiltration von insbesondere thermisch
oder chemisch gebundenen Strukturen, welche zum überwiegenden Teil aus Hohlkugeln
bestehen, mit einer Metallschmelze erhältlich ist. Die Infiltration
kann z.B. mit Hilfe von Druck- und/oder
Vakuumunterstützung
oder bei bestimmten Legierungen auch spontan erfolgen.
Im
Rahmen dieser Anmeldung wird unter dem Basismetall ein reines Metall
und/oder eine reine Legierung oder ein Gemisch derartiger Metalle und
Legierungen verstanden. Insbesondere sind Basismetalle geeignet,
die in Gussverfahren verwendet werden können. Besonders bevorzugt wird
das Basismetall ausgewählt
aus Aluminium, Magnesium, Zink und Legierungen dieser Elemente.
Das
Basismetall kann auch Zuschlagstoffe wie z.B. keramische Verstärkungskomponenten
enthalten. Für
bestimmte Anwendungen können
z.B. Stoffe wie Siliziumkarbidpartikel zugemischt werden, etwa,
wenn die Härte
und Verschleißfestigkeit
des Materials zu verbessern ist.
Die
erfindungsgemäßen Formkörper können aus
dem Basismetall und den nichtmetallischen Hohlkugeln bestehen, können aber
auch noch andere Komponenten enthalten. Weiterhin können die
erfindungsgemäßen Formkörper einen
oder mehrere Hohlkugelverbünde
stoffschlüssig,
kraftschlüssig oder
formschlüssig
miteinander verbundener Hohlkugeln enthalten.
Die
bevorzugt verwendeten Hohlkugeln, die bevorzugt Glashohlkugeln (z.B.
aus Borosilikat) oder keramischen Hohlkugeln sind, weisen bevorzugt
eine Wanddicke von 1 μm
bis zu 10 μm
und besonders bevorzugt von 2–4 μm auf und
sind chemisch weitgehend inert und sehr stabil gegen Laugen und
Säuren. Somit
stellen sie keine zusätzlichen
Angriffstellen für Korrosionserscheinungen
dar. Weiterhin kommt es nicht zum Auftreten von Kontaktkorrosion
zwischen den Hohlkugeln und Phasen der Metallmatrix. Die Kugeln
sind in sich abgeschlossen und ihre zugehörigen Hohlräume nicht miteinander verbunden,
die Struktur ist somit wirklich geschlossenporös. Flüssigkeiten oder Dämpfe können nicht
eindringen.
Die
erfindungsgemäßen Formkörper weisen neben
der in der Regel geschlossenen Porenstruktur sehr feine und homogene
Porengrößen und
zumindest im Bereich einzelner Hohlkugelverbünde eine einheitliche Porenverteilung
auf. Sowohl bei der Herstellung der Kugelstrukturen als auch beim
Gießen gibt
es sehr große
Freiheitsgrade hinsichtlich der erzeugbaren Geometrien.
Es
können
aufgrund der sehr feinen Porenstruktur Formkörper mit sehr kleinen minimalen Wanddicken
(bis zu 1 mm) hergestellt werden.
Weiterhin
besitzen die erfindungsgemäßen Formkörper den
Vorteil, dass die enthaltenen Poren so fein sind, dass sie praktisch
mit bloßem
Auge nicht zu erkennen und von massivem Material nicht zu unterscheiden
sind. Die Oberflächengüte entspricht
daher etwa der von Druckgussteilen. Wenn nötig ist eine nachträgliche mechanische
Bearbeitung der Oberfläche
problemlos möglich.
Im
Unterschied zum Kompositwerkstoff nach der
DE 19537137 A1 sind erfindungsgemäß auch Bauteile
komplexer Geometrien möglich.
Auch
gegenüber
pulvermetallurgisch hergestellten porösen Werkstoffen besteht dieser
Vorteil. Weiterhin bestehen im Vergleich hierzu keine Einschränkungen
hinsichtlich der Wanddicken. Vielmehr sind die Wanddicken durch
die Wanddicke der eingesetzten Hohlkugeln genau einstellbar.
Gegenüber Metallschäumen haben
die erfindungsgemäßen Formkörper den
Vorteil, dass auch die Homogenität
der Porengröße durch
entsprechende Auswahl genau eingestellt werden kann. Neben einer
absolut homogenen Porengröße (bei
Verwendung von Hohlkugeln mit identischem Durchmesser) kann die
Porengrößenverteilung
beliebig variiert werden (Verwendung von Hohlkugeln mit unterschiedlichen
Durchmessern). Dagegen kann bei der Herstellung von Metallschäumen nur
ein sehr geringer Einfluss auf die Homogenität der gebildeten Poren genommen
werden, der anders wie bei den erfindungsgemäßen Formkörpern abhängig vom verwendeten Basismetall
ist. Weiterhin können
bei Metallschäumen üblicherweise
nur mittlere Porengrößen, die
größer als
4 mm sind, erhalten werden. Diese Porengröße schränkt auch bei Metallschäumen die
minimalen Bauteilabmessungen ein. Die minimal erreichbaren Bauteilabmessungen
liegen generell (also auch erfindungsgemäß etwa beim 5fachen der mittleren
Porengröße.
Erfindungsgemäß können insbesondere Formkörper mit
einer Porosität
von 45 bis 75%, bevorzugt 50 bis 70%, besonders bevorzugt 60 bis 70%,
hergestellt werden. Dies ist insbesondere aufgrund der hohen Schüttdichte
der verwendeten Hohlkugeln möglich.
Die
erfindungsgemäßen Formkörper weisen aufgrund
der Eigenstabilität
der Kugeln gegenüber isostatischer
Druckwirkung und der dazwischenliegenden Metallmatrix, die Punktwechselwirkungen zwischen
den einzelnen Kugeln abmindert bzw. verhindert, eine Gesamtstabilität gegenüber Druckbelastungen
aufweist, die deutlich höher
ist als bei Metallschäumen
mit gleicher Dichte und gleicher Legierung in der Metallmatrix.
Die
erfindungsgemäßen Formkörper haben auch
den Vorteil, dass ein sehr einfaches Recycling des Verbundwerkstoffs
möglich
ist. Dieses kann z.B. durch Wiedereinschmelzen erfolgen, da die
Dichte der Kugeln deutlich geringer ist, als die der Metallmatrix,
was trotz der sehr kleinen Kugelgrößen zu einem zügigen Aufsteigen
der Kugeln an die Schmelzoberfläche
führt,
wo das nichtmetallische Material abgekrätzt werden kann. Ein besonderer
Vorteil bei der Verwendung von Glashohlkugeln ist, dass der Erweichungspunkt
des Glases etwa bei 700°C
liegen kann, das Material schmilzt also in der Schmelze auf und kann
so noch besser aus der Schmelze entfernt werden. Die Kugeln verbinden
sich dabei miteinander und können
als kompakte dichte und ökologisch
unbedenkliche Masse sehr einfach entsorgt werden. Um eine spätere einfache
Entsorgung der auf Glashohlkugeln zurückgehenden Masse zu gewährleisten,
können
Glashohlkugeln, deren Erweichungspunkt auf eine bestimmte Temperatur
eingestellt wird, zur Herstellung des erfindungsgemäßen Formkörpers eingesetzt
werden. Diese Erweichungstemperatur wird dann möglichst niedrig gewählt werden, allerdings
hoch genug um eine Zerstörung
der Kugel durch die Metallschmelze zu verhindern.
Das
Recycling anderer poröser
Werkstoffe aus Metall ist oft wesentlich schwieriger. So habe schmelztechnisch
hergestellte Metallschäume
den Nachteil, dass zu ihrer Stabilisierung bestimmte Legierungselemente
wie Calcium oder nichtmetallische Partikel in deutlichen Gehalten
(ca. 15–25
Vol%) zur Schmelze hinzugefügt
werden müssen.
Solche Partikel erschweren dann das Recycling des Materials.
Die
erfindungsgemäßen Formkörper sind durch
ein Verfahren herstellbar, bei dem zunächst nichtmetallische Hohlkugeln,
die einen Durchmesser bzw. einen mittleren Durchmesser besitzen,
der kleiner als 150 Mikrometer ist, physikalisch und/oder chemisch
so behandelt werden, dass ein stoffschlüssiger, kraftschlüssiger oder
formschlüssiger
Verbund entsteht. Die physikalische und/oder chemische Behandlung
kann dabei in der nachfolgend benötigten Infiltrationsform erfolgen.
Anschließend
wird der dabei erhaltene Hohlkugelverbund (sofern er sich noch nicht
in der Infiltrationsform befindet) in der Infiltrationsform angeordnet
und teilweise oder vollständig von
der Schmelze eines Basismetalls infiltriert.
Die
Infiltrierung erfolgt dabei bevorzugt mittels herkömmlicher
Guss- oder Druckguss-verfahren, bevorzugt
im Squeezecasting-Verfahren mit niedrigen Drücken von ca. 5–50bar und
Giessgeschwindigekiten von 0,5–5
m/s.
Erfindungsgemäß wurde
erkannt, dass durch eine "Fixierung" der Hohlkugeln,
Probleme, die durch die schwierige Handhabbarkeit der nicht in einem
Verbund vorliegenden Hohlkugeln verursacht werden, behoben werden.
Liegt kein Verbund vor, so kommt es während des Infiltrierens zum
Aufschwimmen der Hohlkugeln; ein Werkstoff mit homogener Porenverteilung
kann dann nicht erhalten werden.
Während der
Infiltrierung des Hohlkugelverbunds mit der Metallschmelze erfolgen
normalerweise keine chemischen Reaktionen zwischen Hohlkugeloberfläche und
Metallschmelze. Allerdings kann, sofern dies erwünscht ist, z.B. durch Sintern
des fertigen Formkörpers – insbesondere
bei Magnesium-haltigem Matrixmetall und Glashohlkugeln – eine chemische
Reaktion zwischen Hohlkugel und Metall erfolgen. Es liegt dann zwischen
Hohlkugel und Basismetall keine rein formschlüssige Verbindung mehr vor.
Die
Hohlkugeln weisen ein sehr gutes Fließverhalten in der Schüttung und
bei Vibrationen auf, so dass erfindungsgemäß auch komplexe gestaltete Hohlkugelstrukturen
bzw.
Hohkugelverbünde sehr
einfach hergestellt werden können,
indem die Einzelkugeln in die Formen gegeben und dort thermisch
oder chemisch miteinander verbunden werden.
Die
Hohlkugelverbünde
müssen
nicht in einem Teil hergestellt werden, sondern können aus
einzeln gefertigten Teilverbünden
zusammengesetzt und (z.B. durch Kleben oder andere geeignete Fügetechniken)
verbunden werden.
Auch
die Verbindung von Hohkugelverbünden
mit Strukturen anderer Materialien, z.B. gesinterten SiC-Partikelschüttungen,
und die anschließende Infiltration
ist möglich.
Hieraus resultieren teilweise poröse, teilweise partikelverstärkte Metallmatrix-Hybridwerkstoffe.
Zuschlagstoffe können
aber auch der Metallschmelze zugegeben werden oder mit den einzeln
vorliegenden Hohlkugeln vermischt werden, und mit den Hohlkugeln
der physikalischen und/oder chemischen Behandlung unterworfen werden,
bei dem der Hohlkugelverbund entsteht. Hierdurch ist es auch möglich, gezielt
niedrigere Porositäten
des Verbunds im Vergleich zur reinen Hohlkugelschüttung einzustellen.
Als
geeignete Zuschlagstoffe sind insbesondere wie SiC, die auch bei
vorbekannten Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen eingesetzt werden,
um z.B. die Beständigkeit
gegen Abrasion zu erhöhen.
Weiterhin sind als Zuschlagstoffe, mit denen verbesserte mechanische
Eigenschaften erzielt werden können, Al2O3,
TiO2, Boride, Nitride oder Karbide zu nennen (z.B. TiC, BN, B4C).
Besonders
bevorzugt werden dabei nur so viel Zuschlagstoffe zugegeben, dass
das Verhältnis von
Zuschlagstoffen zu nichtmetallischen Hohlkugeln kleiner als 20:80
Vol-% ist.
Das
erfindungsgemäße Verfahren
besitzt den Vorteil, dass (z.B. gegenüber dem Verfahren nach der
DE 19537137 A1 )
nur niedrige Verfahrenskosten anfallen und außerdem die Möglichkeit
zur Herstellung von beliebigen Bauteilen komplexer Geometrien besteht.
Mit
Hilfe des Verfahrens ist es ebenfalls möglich, Bauteile mit dichten,
nicht porösen
Oberflächen herzustellen.
Dies kann vorteilhafterweise gleich während des Infiltrationsprozesses
erfolgen. Dabei wird die Form, in der die Infiltration erfolgen
soll, etwas größer gewählt, als
die zu infiltrierende Hohlkugelstruktur bzw. der zu infiltrierende
Hohlkugelverbund ist, so dass dieser nicht nur infiltriert, sondern auch
vollständig
von Schmelze umhüllt
wird. Die Positionierung der Hohlkugelstruktur erfolgt in diesem Fall
z.B. mit Abstandshaltern bzw. Kernmarken. Auch die Herstellung von
porösen
Werkstoffen mit nur einzelnen nichtporösen Oberflächen-Bereichen ist auf diese
Weise möglich.
So können
z.B. Verbindungselemente gleich an das poröse Bauteil mit angegossen werden.
Die
Infiltration der Hohlkugelstruktur muss nicht vollständig erfolgen.
Durch eine gezielte Reduzierung des Infiltrationsdrucks, der Temperaturen
von Schmelze und Kugelstruktur kann auch nur eine oberflächennahe
Infiltration der Hohlkugelstruktur eingestellt werden. Auf diese
Weise können
noch leichtere Bauteile hergestellt werden, bestehend aus einem
inneren Hohlkugelkern und einer äußeren Metallmatrix-Hohlkugel-Verbundstruktur.
Besonders
bevorzugt erfolgt die physikalische und/oder chemische Behandlung
der nichtmetallischen Hohlkugeln mittels Kleben und/oder Sintern.
Ein Kleben kann z.B. mittels der Verwendung von Wasserglas als Bindemittel
erfolgen.
Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass auch
Verbünde
Hohlkugeln, deren Erweichungspunkt niedriger als die Temperatur der
Basismetallschmelze ist, infiltriert werden können.
Überraschenderweise
halten die Hohlkugelverbünde
einer Schmelze, deren Temperatur um über 100K über dem Erweichungpunkt der
Hohlkugeln liegt, auch hohen Drücken
Stand.
Besonders
leichte Formkörper
können
hergestellt werden, wenn die Hohlkugeln vor der chemischen bzw.
physikalischen Behandlung so angeordnet werden, dass sich eine möglichst
dichte Kugelpackung ergibt. Aufgrund des guten Fließverhaltens kommt
die Anordnung der einfachen Hohlkugel-Schüttung einer dichten Packung
schon sehr nahe, eine weitere Verbesserung ist beispielsweise möglich durch
Rütteln
oder, indem man die vorbereitete Hohlkugelschüttung längere Zeit stehen lässt. Da
das Eigengewicht der Hohlkugeln kaum zum Gewicht des Formkörpers beiträgt, können somit
Formkörper
erhalten werden, deren Gewicht nahe der theoretischen Dichte liegt
(wobei zu berücksichtigen
ist, dass durch das Eigengewicht der Kugeln bzw. deren Dichte die
theoretische Dichte überschritten
wird). Man erhält
also Formkörper
mit einem Metallgewicht, das – bei
vollständiger
Infiltration des Hohlkugelverbunds – gegenüber dem Gewicht der massiven
Metallmatrix um mindestens 60%, üblicherweise
aber um über
70% reduziert ist. Wird der Hohlkugelverbund nicht vollständig infiltriert,
so ist eine weitere Reduzierung möglich.
Erfindungsgemäß sind aus
den geschlossenporigen, hohlkugelhaltigen Formkörpern auch offenporige Formkörper (die
nachfolgend stets als offenporige Formkörper bezeichnet werden, während die
geschlossenporigen Formkörper
nachfolgend stets mit (geschlossenporige) Formkörper bezeichnet werden) herstellbar.
Dies
wird erreicht, indem die in den geschlossenporigen, hohlkugelhaltigen
Formkörper enthaltenen
nichtmetallischen Hohlkugeln zumindest teilweise mechanisch und/oder
chemisch zerstört werden.
Da
sich die Hohlkugeln durch eine gut definierte isostatische Druckfestigkeit
auszeichnen, ist beispielsweise eine mechanische Zerstörung der
Kugeln im Verbund durch eine Druck- (z.B. im Wasserbad) oder Druckimpulswirkung
möglich.
Im
Falle der Verwendung von Kugeln aus einem chemisch weniger stabilen
Material kann die Auflösung
der Kugeln auch chemisch erfolgen. Ist dies gewünscht, so können auch die ursprünglich eingesetzten
nichtmetallischen Hohlkugeln so ausgewählt werden, dass eine Auflösung unter
möglichst milden
Bedingungen möglich
ist, bei der die verwendete Chemikalie nicht oder zumindest nur
oberflächlich
mit der Metallmatrix reagieren kann. Aufgrund der Hohlstruktur der
Kugeln ist insgesamt recht wenig Material aufzulösen. Außerdem kommen Kapillarkräfte, die
den Kontakt des angreifenden Reagenzes mit dem Material der Hohlkugeln
verbessern, durch die Hohlstruktur besser zur Geltung. Die auf diese Weise
hergestellte offenporöse
Struktur kann z.B. Anwendung im Formenbereich für die Herstellung von Bauteilen
aus aufschäumbaren
Polymeren finden (z.B. um Wasserdampf durch eine derartige Form
zu leiten).
Die
erfindungsgemäßen offenporigen
Formkörper
enthalten daher einen Kompositwerkstoff auf Basis eines Metalls
oder bestehen aus diesem Kompositwerkstoff. Sie weisen zumindest
teilweise miteinander verbundene, sphärische Hohlräume auf, wobei
der mittlere oder exakte Durchmesser dieser sphärischen Hohlräume kleiner
als 150 μm
ist. Da sich im Vergleich zu den (geschlossenporigen) Formkörpern keine Änderung
der Anordnung der Poren ergibt und bei den (geschlossenporigen)
Formkörpern das
Gewicht der Hohlkugeln nicht wesentlich zum Gesamtgewicht des (geschlossenporigen)
Formkörpers
beiträgt,
gilt hinsichtlich der Porenverteilung, der Porosität und des
Gewichts verglichen mit dem der massiven Metallmatrix das zu den
(geschlossenporigen) Formkörpern
Beschriebene entsprechend.
Die
hohe Druckfestigkeit des erfindungsgemäßen geschlossenporigen Formkörpers in
Verbindung mit seiner sehr feinen und (sicher) geschlossenen Porosität ermöglicht seine
Verwendung u.a. als Permanentkern bei Gussverfahren, insbesondere
im Druckguss und ähnlichen
druckunterstützten
Gießverfahren.
Ein
Vorteil hierbei ist, dass für
die Herstellung des Hybridwerkstoffs typische Gusslegierungen Verwendung
finden können,
im Gegensatz z.B. zur Metallschaumherstellung, bei welcher viele
Legierungstypen (z.B. Al-Mg-Legierungen) ein ungünstiges Schäumverhalten zeigen und zu sehr
groben Schaumstrukturen führen.
Es
ist mit den erfindungsgemäßen (geschlossenporigen)
Formkörpern
also möglich,
die Matrixlegierung des Metall-Hohlkugel-Verbundwerkstoffs auf die
Legierung des Druckgussteils abzustimmen. So kann z.B. für beide
dieselbe Legierung gewählt
werden, um Korrosionsproblemen an den Kontaktflächen vorzubeugen. Es können aber
auch völlig verschiedene
Legierungen eingesetzt werden. Ein Beispiel hierfür ist die
Verwendung eines Magnesium-Hohlkugel-Verbundkerns in einem Aluminium-Gussteil.
Die geringere Dichte des Magnesium-Hohlkugel-Verbundkerns hat ein
noch geringeres Gewicht des Gießkerns
zur Folge.
Der
Einsatz eines Permanentkerns mit geringem Gewicht in gegossenen
Bauteilen dient z.B. einer Verbesserung des Steifigkeits- oder des
Schwingungsverhaltens gegossener Bauteile.
Darüberhinaus
kann eine Reduzierung des Bauteilgewichts auch dort erreicht werden,
wo technische oder gestalterische Randbedingungen die äußere Geometrie
des Bauteils fest vorschreiben und andere Kerntechnologien, wie
z.B. der Einsatz von Sandkernen, nicht möglich sind. Dies ist z.B. bei Gießverfahren
mit Druckunterstützung,
wie beim konventionellen Druckguss, Squeeze-, Thixo-, Rheocasting
etc. der Fall. Die hohen thermischen und mechanischen Belastungen,
die bei diesen Gießverfahren
auf Kerne in der Form wirken, führen
nach dem Stand der Technik üblicherweise
zur Zerstörung
oder zur Infiltration der sonst in vielen Gießverfahren üblichen Sandkerne. Ein Serieneinsatz
von Sandkernen im Druckguss ist nicht bekannt.
Die
erfindungsgemäße Verwendung
der (geschlossenporigen) Formkörper
als Permanentkern hat weiterhin gegenüber der Verwendung von hohlen Blechstrukturen
als Gießkern
(z.B. nach der
DE
100 08 392 A1 ) den Vorteil, dass keine aufwendige Kernfertigung
nötig ist.
Gegenüber der
Verwendung von Salzkernen im Druckguss (z.B. nach der
DE 10305612 A1 ) besteht
auch der wesentliche Vorteil, dass das schwierig und aus ökologischen
und Korrossionsgesichtspunkten bedenkliche Entfernen des Salzkerns
durch Auslaugen nicht nötig
ist.
Generell
ist zu sagen, dass alle bisher entwickelten porösen metallischen Werkstoffe
nicht stabil genug sind, um den Belastungen während des Gießprozesses
zu widerstehen (z.B. beim Aluminiumdruckguss 800–1200bar Druck, bis 100 m/s
Metallgeschwindigkeit und ca. 660–710°C Schmelzetemperatur). Zum einen
ist die Druckfestigkeit z.B. des Aluminiumschaumkerns nicht ausreichend,
zum anderen führen
bereits kleinste Risse in den Porenwänden zu Infiltrationserscheinungen
im Schaumkern.
Dies
führte
zur Notwendigkeit, beim Einsatz von Aluminiumschaumkernen die Prozessführung während des
Druckgussprozesses zu modifizieren (vgl.
DE 100 09 008 C1 ), was
eine schwierigere Prozesskontrolle nach sich zieht. So ist für die Gewährleistung
der Integrität
des Aluminiumschaum-Kerns eine Reduzierung des Nachverdichtungsdrucks
auf Werte zwischen 200 und 700 bar erforderlich. Dieser liegt unterhalb
der sonst in den genannten Verfahren eingesetzten Drücke im Bereich
zwischen 600 und 1000 bar. Damit ist bei einer derartigen Prozessführung die
Gewährleistung
der sonst üblichen
Material- und Oberflächenqualitäten kritisch.
All
diese Nachteile werden durch Verwendung der erfindungsgemäßen (geschlossenporigen) Formkörper als
Permanentkern behoben.
Neben
der Anwendung der erfindungsgemäßen (geschlossenporigen)
Formkörper
als Permanentkerne eignen sich in Analogie zu anderen porösen metallischen
Werkstoffen die erfindungsgemäßen offenporigen
und geschlossenporigen Formkörper
auch für
die Aufnahme von Stoßenergien
im Crash- oder Beschussfall.
Die
Herstellung des Werkstoffverbunds mittels Schmelzinfiltration, die
sehr feine Porenstruktur und auch die Möglichkeit der Herstellung von
teilweise porösen,
teilweise kompakten Körpern
erlauben die vorteilhafte Anwendung der erfindungsgemäßen offenporigen
und geschlossenporigen Formkörper für die lokale
Beeinflussung von Abkühl-,
Aufheiz- bzw. allgemeinen Wärmeübertragungsvorgängen. Durch
die lokal herausgebildete Porosität ändern sich nicht nur Stoffparameter
wie die die Dichte ρ und die
Wärmeleitfähigkeit λ, sondern
natürlich
auch abgeleitete Parameter wie die Wärmeeindringtiefe, definiert
nach (λρcp)1/2 mit der spezifischen
Wärmekapazität cp. Ein besonderer Vorteil ist hierbei, dass
der Wärmeausdehnungskoeffizient
von porösen
Metallen ähnlich
hoch wie der des kompakten Materials, so dass zusätzliche
thermische Spannungen nur durch die stärker unterschiedlichen lokalen
Temperaturen, nicht aber durch Unterschiede im lokalen Ausdehnungskoeffizienten
hervorgerufen werden. Im Vergleich z.B. zu anderen Kombinationen
metallischer Werkstoffe mit unterschiedlichen Wärmetransporteigenschaften kann
es beim Einsatz des hier beschriebenen Verbundmaterials auch nicht
zu Kontaktkorrosionsproblemen kommen.
Beispiele
Ohne
Einschränkung
der Allgemeinheit werden die erfindungsgemäßen Formkörper und das Verfahren zu ihrer
Herstellung anhand von 2 Abbildungen und einem Beispiel näher beschrieben.
1 zeigt
ein Schliffbild des nach Beispiel 1 hergestellten erfindungsgemäßen Formkörpers aus
dem Basismetall Al-226 und Glashohlkugelnaus Borosilikat mit einem
maximalen Durchmesser von 65 μm.
Die geschlossene Porosität
ist deutlich zu erkennen.
2 zeigt
einen Ausschnitt aus 1. Hier ist zu erkennen, dass
nur in geringem Ausmaß eine Infiltration
der Hohlkugeln stattgefunden hat und die Glashohlkugeln unzerstört im Werkstoff
enthalten sind.
Beispiel 1
Glashohlkugeln
aus Borosilikatglas (Fa. 3M, Typ S60) mit einem äußeren maximalen Kugeldurchmesser
von 65 Mikrometern (Herstellerangabe: 10% der Kugeln bis max. 15
Mikrometer, 50% bis max. 30 Mikrometer, 90% der Kugeln bis max.
55 Mikrometer, maximaler Durchmesser 65 Mikrometer) und einer Wanddicke
von ca. 5–10
Mikrometern wurden in eine Form (zylindrisch, Durchmesser 70 mm,
Höhe 35 mm)
gegeben und 30 Minuten bei 790°C
getempert. Die resultierende stabile Sinterstruktur wurde in der zylindrischen
Form auf 600°C
vorgewärmt
und mit der Aluminiumlegierung AlSi9Cu3 bei einer Schmelzetemperatur
von 720°C
und einem Druck von 30bar infiltriert. Die Zwischenräume zwischen
den zusammengesinterten Glashohlkugeln konnten vollständig infiltriert
werden. Nur einzelne der Glashohlkugeln wurden durch die Wirkung
der Schmelze zerdrückt oder
infiltriert, obwohl das Auftreffen der Schmelze auf die Struktur
und der zur Überwindung
der Kapillarkräfte
notwendige Druck an den Berührungspunkten
benachbarter Kugeln zu Druckspitzen führen kann, der über der
isostatischen Druckfestigkeit der Kugeln liegt (600bar). Weiterhin
lag die Temperatur der Schmelze mit 730°C schon etwas über dem
Erweichungspunkt des Glases der Kugeln (Angabe des Herstellers 3M:
600°C).
Die erreichte Porosität
des Verbundwerkstoffs wurde mit ca. 50% bestimmt. Die Druckfestigkeit
gegenüber
isostatischer Druckbelastung wurde in einer Kaltisostat-Presse mit
größer als 800bar
ermittelt. Die Dichteänderung
des Versuchskörpers
nach 20s Belastung von 800bar im Wasserbad betrug nur 1,7%. Das
Druckverhalten dieses Verbundwerkstoffs ist somit deutlich besser
als das von porösen
Formkörpern
vergleichbarer Dichte und gleicher Matrixlegierung, für welche
die theoretische Druckfestigkeit bei ca. 300bar liegt. Für die Härte wurde
ein Kennwert von 33 (HB2,5) gemessen.