DE102019212880A1

DE102019212880A1 - Verfahren zur Herstellung eines Metallschaum-Verbundbauteils und Metallschaum-Verbundbauteil

Info

Publication number: DE102019212880A1
Application number: DE102019212880.7A
Authority: DE
Inventors: Tatjana Miokovic; Thomas Waldenmaier; Marcus Hansel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-08-28
Filing date: 2019-08-28
Publication date: 2021-03-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines aus mehreren Schichten (18, 25, 26) bestehenden Metallschaum-Verbundbauteils (2), bei dem ein Poren aufweisenden Bereich als erste Schicht (25) von wenigstens einer porenfreien Deckschicht als zweite Schicht (18, 26) überdeckt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metallschaum-Verbundbauteils, wie es z.B. als Funktionsbauteil in Wärmetauschern, Filtern oder Schalldämpfern eingesetzt wird. Ferner betrifft die Erfindung ein nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Metallschaum-Verbundbauteil.
Stand der Technik
Aus der DE 195 01 659 C1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Metallschaum-Verbundbauteils bekannt, das sich dadurch auszeichnet, dass auf ein vorgefertigtes, insbesondere verformtes bzw. gewölbtes Metallteil durch thermisches Spritzen ein Metallpulver mit einem Treibmittel aufgebracht wird, wobei durch Erwärmen der aufgebrachten Schicht auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Metallpulvers ein Aufschäumen der aufgebrachten Schicht mit anschließender Porenbildung erfolgt. Das bekannte Verfahren erfordert, dass das eine nicht aufgeschäumten Bereich bzw. eine nicht aufgeschäumte Schicht ausbildende Metallteil in einem separaten Herstellungsprozess vorab ausgebildet wird. Weiterhin ist das bekannte Verfahren darauf beschränkt, Metallschaum-Verbundteile herzustellen, die aus zwei Schichten bestehen, wobei die erste Schicht, die durch das Metallteil gebildet ist, keine Poren aufweist und die aufgebrachte Schicht die Metallschaum-Schicht mit Poren ausgebildet ist. Die Trennung zwischen den beiden Schichten ist dabei sehr scharf.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines aus mehreren Schichten bestehenden Metallschaum-Verbundbauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass auch Metallschaum-Verbundbauteile erzeugt werden können bei denen eine Poren aufweisende Schicht zwischen zwei, jeweils keine Poren aufweisende Schichten angeordnet ist. Dabei erfolgt der Übergang zwischen den einzelnen Schichten im Vergleich zum Stand der Technik vergleichsweise fließend.
Hierzu sieht es das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass das Metallschaum-Verbundbauteil durch wenigstens fünf, zeitlich aufeinanderfolgende Schritte hergestellt wird. Dabei wird in einem ersten Schritt ein metallischer Grundkörper hergestellt. Dieser metallische Grundkörper kann beispielsweise in Form eines Blechs, eines Metallblocks usw. durch gängige Herstellverfahren wie Fräsen, Pressen, Tiefziehen usw. auf eine gewünschte Grundgeometrie gebracht werden.
Anschließend erfolgt in einem zweiten Schritt ein Aufdiffundieren eines Randbereichs des Grundkörpers mittels eines Gases bei einer ersten Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls des Grundkörpers während einer bestimmten ersten Zeitdauer, wobei über die erste Zeitdauer die Diffusionstiefe des Gases in dem Grundkörper eingestellt wird, und wobei in dem Randbereich eine erste Gaskonzentration erzielt wird.
Danach erfolgt in einem dritten Schritt eine Evakuierung der Umgebung des Grundkörpers während einer zweiten Zeitdauer, um in den Randbereich des Grundkörpers eindiffundiertes Gas teilweise zu entfernen, wobei über die zweite Zeitdauer die Tiefe der verminderten Gaskonzentration und eine zweite, gegenüber der ersten Gaskonzentration reduzierte Gaskonzentration in dem Grundkörper eingestellt wird.
Dann erfolgt in einem vierten Schritt eine Erhöhung der ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur während einer dritten Zeitdauer, wobei die zweite Temperatur und die dritte Zeitdauer an dem Randbereich des Grundkörpers mit der zweiten Gaskonzentration im festen Zustand verbleibt, während der Bereich des Grundkörpers mit der ersten Gaskonzentration eine Temperatur erreicht, bei der ein Metallschmelze-Gas-Gemisch entsteht, sodass das in der Metallschmelze vorhandene Gas zur Blasenbildung führt.
Zuletzt erfolgt in einem fünften Schritt ein Abschrecken des Metallschmelze-Gas-Gemisches, sodass aus den Blasen im Bereich der ersten Gaskonzentration Poren verbleiben bzw. der Bereich des Grundkörpers mit der zweiten Gaskonzentration zumindest näherungsweise porenfrei verbleibt.
Zusammengefasst ermöglicht es somit das erfindungsgemäße Verfahren gemäß der Lehre des Anspruchs 1, durch eine gezielte Wärmebehandlung unter einer Gasatmosphäre an einem metallischen Grundkörper Bereiche bzw. Schichten auszubilden, die sich durch eine unterschiedliche Konzentration von Poren auszeichnen.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines aus mehreren Schichten bestehenden Metallschaum-Verbundbauteils sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist es vorgesehen, dass als Grundstoff für den Grundkörper Stahl verwendet wird. Die Verwendung von Stahl als Grundstoff hat insbesondere den Vorteil, dass damit Bauteile mit einer relativ hohen Bauteilfestigkeit und einer besonders guten Wärmeübertragung ermöglicht werden. Dadurch lassen sich insbesondere neue Einsatzmöglichkeiten eröffnen, die ansonsten durch anderweitig konstruierte Bauteile erfüllt werden.
Um die gewünschten Blasen, die der Porenbildung dienen, auszubilden, hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das Aufdiffundieren des Grundkörpers im zweiten Schritt unter Verwendung einer Ammoniak- oder Stickstoffatmosphäre erfolgt.
Wie bereits erläutert, kann durch die zweite Zeitdauer während des Evakuierens des Randbereichs des Grundkörpers die Tiefe der verminderten Gaskonzentration in dem Grundkörper eingestellt werden. Vorzugsweise beträgt die zweite Zeitdauer des Evakuierens im dritten Schritt zwischen einer Minute und fünf Minuten.
Bevorzugt ist es weiterhin vorgesehen, dass das Abschrecken des Metallschmelze-Gas-Gemisches im fünften Schritt durch eine Hochdruckgasabschreckung erfolgt. Dadurch ist es möglich, den Grundkörper während der gesamten Behandlung bzw. während der Ausbildung des Metallschaum-Verbundbauteils in einem Vakuumofen zu belassen bzw. anzuordnen.
Das Aufdiffundieren des Randbereichs des Grundkörpers mittels des Gases erfolgt mittels an sich typischer Verfahrenstechniken. Als vorteilhaft haben sich dabei das Hochtemperatur-Nitrieren, das Hochtemperatur-Carbonitrieren, das Nitrieren oder das Nitrocarburieren herausgestellt.
Mittels des soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich besonders vorteilhaft Metallschaum-Verbundbauteile herstellen, bei denen die (porenfreie) zweite Schicht bzw. Deckschicht eine Schichtdicke zwischen 50µm und 250µm aufweist.
Weiterhin umfasst die Erfindung auch ein Metallschaum-Verbundbauteil, das nach einem soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Bevorzugt ist das Metallschaum-Verbundbauteil Bestandteil einer Wärmeübertragungseinrichtung, z.B. für Kfz-Anwendungen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 zeigt in einem vereinfachten Schnitt einen Vakuumofen zur Herstellung eines aus mehreren Schichten bestehenden Metallschaum-Verbundbauteils,
2 ein Phasendiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 eine Darstellung des Stickstoffgehalts in Abhängigkeit von dem Abstand von der Oberfläche eines metallischen Grundkörpers und
4 ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung der einzelnen Verfahrensschritte bei der Herstellung eines Metallschaum-Verbundbauteils.

Ausführungsformen der Erfindung
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
In der 1 ist ein (beheizbarer) Vakuumofen 10 dargestellt, der eine Behandlungskammer 12 aufweist. In der Behandlungskammer 12 ist ein metallischer Grundkörper 1 angeordnet. Der Grundkörper 1 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel blockförmig ausgebildet, kann jedoch grundsätzlich, je nach Anwendungsfall, auch eine andere Geometrie bzw. Form aufweisen. Vorzugsweise weist der Grundkörper 1 Stahl als Grundwerkstoff auf, insbesondere ergänzt um Legierungsbestandteile, die nach dem entsprechenden Anwendungsfall - wie aus dem Stand der Technik bekannt - ausgewählt sind.
Die Behandlungskammer 12 weist einen Gaseinlassbereich 14 sowie einen Gasauslassbereich 16 auf, über den Gas in die Behandlungskammer 12 unter Druck eingeführt bzw. abgesaugt werden kann.
Mittels entsprechender Verfahrensschritte lässt sich aus dem eine homogene Struktur bzw. ein homogenes Gefüge aufweisenden Grundkörper 1 ein Metallschaum-Verbundbauteil 2 herstellen. Dieses Verfahren wird nachfolgend anhand von fünf Verfahrensschritten 201 bis 205 wie folgt erläutert:

In dem ersten Schritt 201 wird der metallische Grundkörper 1 auf an sich bekannte Art und Weise hergestellt, beispielsweise durch Gießen und anschließendes Bearbeiten z.B. mittels spanender Verfahren. Anschließend wird der Grundkörper 1 in der Behandlungskammer 12 des Vakuumofens 10 angeordnet.

In dem zweiten Verfahrensschritt 202 erfolgt entsprechend der Darstellung der 3 ein Aufdiffundieren eines Randbereichs 18 des Grundkörpers 1 mittels eines Gases bei einer ersten Temperatur T₁, wobei die erste Temperatur T₁ unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls des Grundkörpers 1 liegt. Das Aufdiffundieren des Randbereichs 18 des Grundkörpers 1 erfolgt vorzugsweise unter Verwendung einer Ammoniak- oder Stickstoffatmosphäre, welche über den Gaseinlassbereich 14 in die Behandlungskammer 12 eingeführt wird. Beispielsweise erfolgt das Aufdiffundieren des Randbereichs 18 des Grundkörpers 1 im Hochtemperatur-Nitrierverfahren, wobei der Stickstoffgehalt N während des Aufdiffundierens auf einen Stickstoffgehalt N₂ erhöht wird. Dabei diffundiert atomaren Stickstoff in den Randbereich 18 des Grundkörpers 1. Der Stickstoffgehalt N nimmt mit zunehmendem Abstand x von der Bauteiloberfläche des Grundkörpers 1 entsprechend der Darstellung der 3 ab. In einer Tiefe, in denen es zu keiner Eindiffusion von Stickstoff kommt, was durch die Prozessdauer des Aufdiffundierens während einer ersten Zeitdauer t1 bedingt ist, liegt der Grundwerkstoff (Stahl) vor.
In der 2 ist der Zusammenhang zwischen dem Stickstoffgehalt N, der Temperatur T und den unterschiedlichen Phasen des aus Stahl bestehenden Grundkörpers 1 erkennbar. Insbesondere erkennt man einen ersten Bereich 21, in dem Austenit vorliegt, einen zweiten Bereich 22, der durch Ferrit gekennzeichnet ist, einen dritten Bereich 23, in dem das Material des Grundkörpers 1 in Form einer Schmelze vorliegt und ein vierter Bereich 24, in dem das Material des Grundkörpers 1 aus einer Mischung aus Gas und (metallischer) Schmelze besteht.
Anschließend erfolgt in einem dritten Schritt 203 eine Evakuierung des Vakuumofens 10 bzw. der Umgebung des Grundkörpers 1 während einer zweiten Zeitdauer t2, die typischerweise zwischen ein und fünf Minuten beträgt. Dabei wird in den Randbereich 18 des Grundkörpers 1 eindiffundiertes Gas teilweise entfernt, wobei in größeren Tiefenlagen bzw. in größeren Abständen x von der Bauteiloberfläche keine signifikante Abnahme des Gasgehalts stattfindet. Dadurch liegt direkt an der Oberfläche bzw. in einem relativ geringen Abstand x von der Bauteiloberfläche gegenüber einem größeren Abstand x eine vermindernde Gaskonzentration N₁ vor.
Anschließend erfolgt in einem vierten Schritt 204 während einer dritten Zeitdauer t3, die ebenfalls typischerweise zwischen einer Minute und fünf Minuten dauert, eine Erhöhung der Temperatur T des Grundkörpers 1 von der ersten Temperatur T₁ auf eine zweite Temperatur T₂. Dadurch wird bewirkt, dass direkt an der Oberfläche des Grundkörpers 1 die metallische Komponente des Grundkörpers 1 in einer festen Phase verbleibt, während unterhalb der Oberfläche des Grundkörpers 1 mit einem erhöhten Gasgehalt die Schmelztemperatur des Materials des Grundkörpers 1 erreicht wird und dort ein Metallschmelze-Gas-Gemisch entsteht. Dabei führt der in der Metallschmelze vorliegende atomare Stickstoff zur gewünschten Blasenbildung.
Zuletzt in einem fünften Schritt 205, vorzugsweise mittels einer Hochdruckgasabschreckeinrichtung des Vakuumofens 10, ein rasches Abkühlen bzw. Abschrecken der Metallschmelze, sodass aus den Blasen unterhalb der Oberfläche des Grundkörpers 1 Poren entstehen. Das bedeutet, dass im Inneren des Grundkörpers 1 ein Metallschaum 25 als Schicht zurückbleibt, während direkt an der Oberfläche bzw. dem Randbereich 18 und in den von der Aufstickung bzw. der Gasbehandlung unbeeinflussten Bereichen 26 der metallische Grundkörper 1 die Schichten jeweils in einer festen Phase vorliegen. Dabei überdeckt der Randbereich 18 und der Bereich 26, die zumindest nahezu porenfrei ausgebildet sind, den die Poren aufweisenden Metallschaum 25.
Das soweit durch das Verfahren hergestellte Metallschaum-Verbundbauteil 2 dient beispielsweise als Funktionsbauteil in Wärmetauschern, Filtern oder Schalldämpfern. Derartige Bauteile erfordern überwiegend eine offenporige Struktur, damit ein Medium (Luft, Wasser etc.) in den Schaum eindringen oder durch ihn durchtreten kann.
Das soweit beschriebene Verfahren kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Insbesondere wird durch eine geeignete Variation der Zeitdauer bzw. der verwendeten Gase sowohl die Dicke der einzelnen Schichten des Metallschaum-Verbundbauteils 2 beeinflusst, als auch dessen technische Eigenschaften.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19501659 C1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines aus mehreren Schichten (18, 25, 26) bestehenden Metallschaum-Verbundbauteils (2), bei dem ein Poren aufweisenden Bereich als erste Schicht (25) von wenigstens einer porenfreien Deckschicht als zweite Schicht (18, 26) überdeckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zumindest folgende fünf Schritte aufweist: - Herstellen eines metallischen Grundkörpers (1) in einem ersten Schritt (201) - Aufdiffundieren eines Randbereichs des Grundkörpers (1) mittels eines Gases bei einer ersten Temperatur (T₁) unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls des Grundkörpers (1) während einer bestimmten ersten Zeitdauer (t1), wobei über die erste Zeitdauer (t1) die Diffussionstiefe des Gases in den Grundkörper (1) eingestellt wird und wobei in dem Randbereich eine erste Gaskonzentration (N₂) erzielt wird, in einem zweiten Schritt (202) - Evakuieren der Umgebung des Grundkörpers (1) während einer zweiten Zeitdauer (t2), um in den Randbereich des Grundkörpers (1) eindiffundiertes Gas teilweise zu entfernen, wobei über die zweite Zeitdauer (t2) die Tiefe der verminderten Gaskonzentration und eine zweite, gegenüber der ersten Gaskonzentration (N₂) reduzierte Gaskonzentration (N₁) in dem Grundkörper (1) eingestellt wird, in einem dritten Schritt (203) - Erhöhung der ersten Temperatur (T₁) auf eine zweite Temperatur (T₂) während einer dritten Zeitdauer (t3), wobei die zweite Temperatur (T₂) und die dritte Zeitdauer (t3) an dem Randbereich des Grundkörpers (1) mit der zweiten Gaskonzentration (N₁) im festem Zustand verbleibt, während der Bereich des Grundkörpers (1) mit der ersten Gaskonzentration (N₂) eine Temperatur (T) erreicht, bei der ein Metallschmelze-Gas-Gemisch entsteht, sodass das in der Metallschmelze vorhandene Gas zur Blasenbildung führt, in einem vierten Schritt (204) - Abschrecken des Metallschmelze-Gas-Gemisches, so dass aus den Blasen Poren im Bereich der ersten Gaskonzentration (N₂) entstehen bzw. der Bereich des Grundkörpers (1) mit der zweiten Gaskonzentration (N₁) zumindest näherungsweise porenfrei verbleibt, in einem fünften Schritt (205)
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundstoff für den Grundkörper (1) Stahl verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dass Aufdiffundieren des Grundkörpers (1) im zweiten Schritt (202) unter Verwendung einer Ammoniak- oder Stickstoffatmosphäre als Gas erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zeitdauer (t2) des Evakuierens im dritten Schritt (203) zwischen einer Minute und fünf Minuten beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschrecken des Metallschmelze-Gas-Gemisches im fünften Schritt (205) durch eine Hochdruckgasabschreckung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) zwischen dem zweiten Schritt (202) und dem fünften Schritt (205) in einem Vakuumofen (10) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schritt (202) durch Hochtemperatur-Nitrieren, Hochtemperatur-Carbonitrieren, Nitrieren oder Nitrocarburieren erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Schichtdicke der zweiten Schicht (18) zwischen 50µm und 250µm erzeugt wird.
Metallschaum-Verbundbauteil (2), hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallschaum-Verbundbauteil (2) Bestandteil einer Wärmeübertragungseinrichtung ist.