DE10241511A1

DE10241511A1 - Bauteil aus Verbundwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE10241511A1
Application number: DE2002141511
Authority: DE
Inventors: Karsten Stöbener; Dirk Lehmhus
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-09-07
Filing date: 2002-09-07
Publication date: 2004-03-25

Abstract

Hohlbauteil aus Verbundwerkstoff mit mindestens einer Schicht aus einem massiven metallischem Werkstoff und mindestens einer Schicht aus einem aufschäumbaren metallischen Werkstoff, wobei die Außenfläche des Hohlbauteils durch die mindestens eine Schicht aus massivem metallischen Werkstoff gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem massiven metallischen Werkstoff und dem aufschäumbaren metallischen Werkstoff metallische Bindungen vorliegen und dass diese metallischen Bindungen über die Grenzfläche zwischen den Schichten des Hohlbauteils gleichmäßig verteilt sind.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Hohlbauteil aus Verbundwerkstoff nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Stand der Technik
Metallische Hohlstrukturen, die mit Metallschaum gefüllt sind, führen in der Regel zu einer erheblichen Verbesserung der Energieabsorbtion und des Beul-Knickverhaltens im Vergleich zur ungefüllten Hohlstruktur. Metallschaumgefüllte Hohlstrukturen bestehen aus einer außenliegenden massiven Blechlage und einem den verbleibenden Querschnitt zumindest partiell ausfüllenden Raumkern. Die Bindung zwischen Hohlstruktur und Metallschaum kann form-, kraft- oder stoffschlüssig ausgeführt werden.
Eine Hohlstruktur mit formschlüssiger Verbindung zum Metallschaumkern wird durch Einstecken des Schaumkerns (einteilige Hohlstruktur, z.B. Rohr), Montage einer Hohlstruktur um einen Schaumkern (Hohlstruktur besteht aus mehreren zusammengefügten Blechteilen) bzw. Expandieren des Metallschaums in der Hohlstruktur hergestellt.
Im Falle des Einsteckens ist die Kraftübertragung von der Hohlstruktur in dem Metallschaumkern nur orthogonal zur Trennebene möglich, wodurch die Ausnutzung der Metallschaumeigenschaften nur begrenzt möglich ist. Zusätzlich verbleibt immer ein Spalt zwischen Metallschaumkern und Hohlstruktur, der bei ungünstigen Randbedingungen etwa zur Korrosion (Spaltkorrosion) führen kann. Bei teilweiser Verformung der umgebenden Hohlstruktur, die gegebenenfalls auch ein Verformung des Metallschaumkerns einschließen kann, ist auch eine formschlüssige Verbindung gegen axiale Verschiebung des Kerns realisierbar.
Eine Hohlstruktur mit stoffschlüssiger Verbindung zum Metallschaumkern wird ebenfalls durch Einstecken des Schaumkerns bzw. durch Fügen der Hohlstruktur um den Schaumkern hergestellt, wobei eine Klebeverbindung zwischen Metallschaumkern und Hohlstruktur vorliegt. Hierfür werden die zu verbindenden Oberflächen für das Kleben vorbereitet und mit Kleber beschichtet. Dieses Verfahren ist durch den erhöhten Aufwand (Oberflächenvorbereitung, Kleberauftrag usw. gekennzeichnet. Zusätzlich wird die Krafteinleitung von der Hohlstruktur in den Metallschaumkern durch die Eigenschaften des Klebers bestimmt, so dass die Ausnutzung der Eigenschaften des Metallschaums nur partiell erfolgt. Weiterhin ist die Klebung nur begrenzt thermisch und langzeitstabil. Bezüglich des erhöhten Aufwandes unterscheiden sich auch andere Verfahren der stoffschlüssigen Verbindung wie etwa das Löten nicht von der klebtechnischen Variante.
Eine Hohlstruktur mit kraftschlüssiger Verbindung zum Metallschaumkern kann auf pulvermetallurgischem Weg hergestellt werden.

Die DE 100 24 004 beschreibt ein Verfahren, bei dem eine kraftschlüssige Verbindung zwischen einem aufschäumbaren Metallpulverkörper und einem massiven Blech durch Walzplattieren hergestellt wird. Dieser Verbund kann dann zu einer Hohlstruktur innen umgeformt werden. Abschließend erfolgt das Expandieren des Metallschaums durch Aufheizen der Verbundstruktur auf bzw. über die Schmelztemperatur des Metalls bzw. der Metalllegierung in der aufschäumbaren Schicht.

Die DE 41 01 630 beschreibt ein Verfahren, bei dem durch Koextrusion eines aufschäumbaren und eines massiven Materials ein Verbundprofil mit aufschäumbarer Innenlage erzeugt wird. Das koextrudierte Verbundprofil wird dann durch weitere Umformschritte in die endgültige Bauteilform gebracht. Schließlich erfolgt das Expandieren des Metallschaums durch Aufheizen der Verbundstruktur auf bzw. über die Schmelztemperatur des Metalls bzw. der Metalllegierung in der aufschäumbaren Schicht. Dieses Verfahren ist jedoch durch eine schwierige und sehr aufwändige Prozessführung gekennzeichnet.

Die DE 199 05 124 beschreibt ein Verfahren, bei dem ein Pulvergemisch (Metall- und Treibmittelpulver) direkt auf einem massiven Blech verdichtet wird (z.B. durch Pulverwalzen) wodurch ein Verbund zwischen einer aufschäumbaren Schicht (verdichtetes Pulver) und dem Blech erzielt wird. Dieser Verbund kann beispielsweise zu einem längsnahtgeschweißten Rohr vorgeformt werden. Das Verbundrohr wird nun in einem weiteren Prozessschritt durch Innenhochdruckumformen (IHU) in die endgültige Form gebracht. Die Expansion der schaumfähigen Lage erfolgt während oder nach der Umformung im IHU Gesenk. Dabei unterliegt das IHU Gesenk einer thermischen Wechselbeanspruchung unter Normalatmosphäre mit Temperaturen zwischen Raumtemperatur und z.B. ca 600° C bei Aluminiumlegierungen. Auch nach der Umformung stehen das Verbundprofil bzw. der Metallpulverkörper im Blechprofil und das massive Umformgesenk in intensivem Kontakt. Dieses Verfahren hat daher den Nachteil, dass nicht nur der Metallpulverkörper und das Blechmaterial, sondern auch die Gesenkmasse bei der Dimensionierung Heiz- sowie Kühlleistung berücksichtigt werden müssen, wenn der schaumfähige Metallpulverkörper durch Erwärmung zum Metallschaum expandiert werden soll. Das massive Umformgesenk erhöht dabei die thermische Trägheit erheblich, so dass eine erhöhte Heiz-/Kühlleistung und/oder eine lange Prozesszeit unumgänglich sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Hohlbauteil aus Verbundwerkstoff mit stoffschlüssiger Verbindung zwischen dem Hohlstrukturwerkstoff und dem Metallschaum bzw. dem aufschäumbaren metallischen Werkstoff anzugeben, das kostengünstig herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 beschriebene Hohlbauteil sowie durch das Verfahren zu seiner Herstellung nach Anspruch 5 bzw. nach Anspruch 8 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen an.

Das erfindungsgemäße Hohlbauteil aus Verbundwerkstoff weist mindestens eine Schicht aus einem massiven metallischen Werkstoff und mindestens eine Schicht aus einem aufschäumbaren metallischen Werkstoff auf. Die Außenfläche des Hohlbauteils wird durch die mindestens eine Schicht aus massivem metallischen Werkstoff gebildet; zwischen der Schicht aus massivem metallischen Werkstoff und der Schicht aus aufschäumbaren metallischen Werkstoff liegen metallische Bindungen vor; diese metallischen Bindungen sind über die Grenzfläche zwischen den Schichten des Hohlbauteils gleichmäßig verteilt.

Unter einer gleichmäßigen Verteilung der metallischen Bindungen ist hierbei eine statistische Verteilung in molekularen Bezirken, d.h. eine zufällige Anordnung der metallischen Bindungen ohne Vorzugsverteilung zu verstehen. Die Häufigkeit dieser metallischen Bindungen ist jedoch abhängig vom Umformungsgrad in einem bestimmten Bereich des Hohlbauteils. Das heißt, Bereiche die den gleichen Umformgrad aufweisen, weisen auch die gleiche Häufigkeit an metallischen Bindungen auf. Das Hohlbauteil kann nahtlos hergestellt sein, kann aber auch Schweißnähte aufweisen. Auch im Bereich der Schweißnaht bzw. der Schweißnähte liegen derartige metallische Bindungen zwischen dem massiven metallischen Werkstoff und dem aufschäumbaren metallischen Werkstoff vor. Dies hat den Vorteil, dass im Bereich der Schweißnähte die Gefahr von Korrosion gebannt werden kann. Durch die gleichmäßige Verteilung der metallischen Bindungen weisen die erfindungsgemäßen Hohlbauteile eine besonders starke Haftung zwischen aufschäumbarer und massiver metallischer Schicht auf. Da insbesondere in den Bereichen, in denen ein großer Umformgrad vorliegt, ein höherer Anteil an metallischen Bindungen vorliegt, ist die Stabilität des Bauteils in diesen Bereichen besonders hoch; dagegen liegen in nicht bzw. nur wenig umgeformten Bereichen auch wenige metallische Bindungen vor, wodurch die aufschäumbare Schicht an diesen Stellen gegebenenfalls wieder abgetrennt werden kann um Hohlstrukturen mit nur teilweise ausgeschäumten Bereichen zu erzeugen oder um die Hohlstruktur mit weiteren Bauteilen z.B. durch Schweißen zusammenzufügen.

Als Werkstoffkombinationen des massiven metallischen Werkstoffs und aufschäumbaren metallischen Werkstoffs sind alle denkbaren Werkstoffkombinationen möglich; eine Beschränkung auf ähnliche Umformeigenschaften der Werkstoffe besteht nicht. Die erfindungsgemäßen Hohlbauteile können jedes denkbare Wanddickenverhältnis von massiver und aufschäumbarer Schicht aufweisen. Wird das erfindungsgemäße Hohlbauteil mit den nachfolgenden erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt, so ist das Bauteil weiterhin gekennzeichnet durch Oxidhautreste, die zwischen der Schicht aus aufschäumbaren metallischem Werkstoff und massivem metallischen Werkstoff vorliegen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus Verbundwerkstoff gelöst, bei dem zumindest jeweils eine Seite mindestens einer Schicht aus einem massiven metallischen Werkstoff und mindestens einer Schicht aus einem aufschäumbaren metallischen Werkstoff mechanisch und/oder chemisch oberflächenbehandelt wird, wobei diese Schichten nachfolgend so angeordnet werden, dass ihre oberflächenbehandelten Seiten zumindest teilweise einander zugewandt sind und dass dieses so gebildete Schichtsystem anschließend einem Umformprozess unterworfen wird.

Eine mechanische Behandlung der Oberflächen kann beispielsweise durch Schleifen, Schmirgeln und/oder Strahlen erfolgen; eine chemische Oberflächenvorbereitung kann beispielsweise durch Behandlung mit Laugen, Säuren, Elektrolyten oder organischen Lösungsmitteln erfolgen. Vorzugsweise werden die zu behandelnden Oberflächen zuerst mechanisch behandelt und anschließend mit organischen Lösungsmitteln entfettet. So wird die auf jeder Oberfläche vorhandene Oxidschicht in der Dicke reduziert und von Öl- bzw. Fettresten gereinigt. Bei Rohren (oder ähnlichen Bauteilen) wird hierbei die Innenfläche des massiven Rohrs und die Außenfläche des aufschäumbaren Rohrs oberflächenbehandelt.

Handelt es sich bei den Schichten aus massiven metallischem Werkstoff bzw. aufschäumbaren metallischen Werkstoff und Bleche, so werden die behandelten Oberflächen aufeinandergelegt; handelt es sich um Rohre (oder ähnliche Bauteile), so wird das Rohr aus aufschäumbarem Material in das massive Rohr eingeschoben bevor dieses Schichtsystem dem Umformprozess unterworfen wird.

Die Oberflächenbehandlung der zu verbindenden Kontaktflächen hat den Vorteil, dass eine reproduzierbare sichere Verbindung zwischen dem aufschäumbaren und dem massiven metallischen Material gewährleistet ist. Diese kann während der Schaumexpansion durch chemische Prozesse noch intensiviert werden. Durch die Metallschaumexpansion in einem Ofen kann nicht nur für definierte Prozessbedingungen (z.B. besondere Atmosphäre), sondern auch für eine optimierte Schäumprozesszeit gesorgt werden.

Zur Umformung des Schichtsystems aus massivem metallischen Werkstoff und aufschäumbaren metallischen Werkstoff können alle Umformverfahren eingesetzt werden, bei denen das Schichtsystem unter großem Druck zusammengepresst und gleichzeitig plastisch umgeformt werden kann. Hierfür eignen sich beispielsweise Tiefziehen, Streckziehen, Pressen und Innenhochdruckumformen (IHU). Bei der Verwendung von Rohren und ähnlichen Bauteilen ist das IHU-Verfahren besonders bevorzugt. Die plastische Umformung gestaltet sich derart, dass die massive metallische Schicht und die aufschäumbare metallische Schicht gestreckt werden, wodurch sich deren Stärke verringert und die Oberfläche vergrößert; im Fall von Rohren wird zusätzlich deren Durchmesser geweitet. Dabei reißen die durch die Vorbereitung stark verdünnten oberflächlichen Oxidschichten auf. Die so entstehenden nicht oxidierten Oberflächenbereiche der Schichten gehen bevorzugt mit den nicht oxidierten Bereichen des anderen Blechs unter großem Druck eine Verbindung ein. So entsteht eine starke Anhaftung bzw. metallische Bindung zwischen den beiden Schichten; die Häufigkeit der metallischen Bindungen ist dabei abhängig vom Umformgrad. Um ausreichend nicht oxidierte Oberflächenbereiche zu erzeugen, ist eine Oberflächenvergrößerung von mindestens 20%, bevorzugt aber von mindestens 40% nötig. In Bereichen, in denen keine Umformung stattfindet, und in denen daher keine Oberflächenvergrößerung stattfindet, liegen zwischen der Schicht aus massiven metallischem Werkstoff und aufschäumbaren Werkstoff keine oder nur wenige metallische Bindungen vor. Dies kann vorteilhafterweise so genutzt werden, dass an diesen Stellen das schaumfähige Material beispielsweise an der Umformkontur vom Verbund abgetrennt wird, um Strukturen mit nur teilweise aufgeschäumten Bereichen oder Strukturen, die mit anderen Bauteilen mittels Schweißen zusammengefügt werden sollen, zu erzeugen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen der Schicht aus aufschäumbaren metallischen Material und massivem metallischem Material während des endformgebenden Umformschrittes erreicht wird. Dieses Verfahren hat daher den Vorteil, dass es für alle Werkstoffkombinationen mit ausreichenden aber nicht notwendigerweise mit ähnlichen Umformeigenschaften anwendbar ist. Das Wanddickenverhältnis zwischen der massiven und der aufschäumbaren metallischen Schicht kann je nach geplanter Umformung frei gewählt werden. Hierdurch ergibt sich gegenüber dem Stand der Technik ein wesentlich erhöhter Gestaltungsspielraum. Weiterhin hat das Verfahren den Vorteil, dass mit geringem Aufwand eine nur auf einem Teilbereich ihrer Länge ausgeschäumte Struktur herstellbar ist. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auch die Verringerung der Prozessschritte zur Herstellung einer metallschaumgefüllten Hohlstruktur, bei der zwischen Schaumkern bzw. aufschäumbaren metallischen Material und Hohlstruktur bzw. massivem metallischen Material metallische Bindungen vorliegen. Auch die Prozesszeit verringert sich gegenüber den vorbekannten Verfahren erheblich.

In einer Variante wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlbauteils gelöst, bei dem auf die Innenfläche einer Schicht aus einem massiven metallischen Werkstoff zumindest in Teilbereichen ein Gemisch aus mindestens einem Metall und einem Treibmittel aufgebracht wird. Anschließend wird mittels Innenhochdruckumformen einerseits aus dem Gemisch aus dem mindestens einen Metall und mindestens einem Treibmittel eine Schicht aufschäumbaren metallischen Werkstoffs erzeugt und andererseits das Schichtsystem aus dem massiven metallischen Werkstoff und aufschäumbaren metallischen Werkstoff umgeformt, wobei als Grenzschicht zum Druckmedium des Innenhochdruckumformprozesses eine Trennschicht in das Hohlbauteil eingebracht wird.

Bei dieser Variante wird somit eine Metall-/Treibmittelmischung während des IHU-Vorgangs zur aufschäumbaren Schicht endverdichtet. Die Metall-/Treibmittelmischung kann sowohl unverdichtet, als Pulvermischung als auch als vorverdichteter Presskörper beispielsweise in Rohrform oder als Granulat verwendet werden. Eine Vorverdichtung erfolgt hierbei vorzugsweise über kaltisostatisches Pressen (CIP). Weiterhin kann die Metall-/Treibmittelmischung auch mit einem vorzugsweise polymeren Binder gemischt werden. Diese Mischung wird vorzugsweise so gewählt, dass bei Erwärmung ein flüssiger oder teilflüssiger Zustand erreicht wird. In dieser Form wird die Pulver-/Bindermischung dann durch geeignete Verfahren (z.B. Spritzen) auf die innere Oberfläche der später mit Metallschaum auszufüllenden Hohlstruktur aufgebracht. Vor der Endverdichtung der Metall-/Treibmittelmischung wird der Binder thermisch oder chemisch entfernt.

Wird ein pulverförmiges Gemisch aus dem mindestens einem Metall und mindestens einem Treibmittel verwendet, so wird bevorzugt zunächst die Trennschicht in das Hohlbauteil eingebracht, und anschließend das pulverförmige Gemisch zwischen die Trennschicht und die Schicht aus dem massiven metallischen Werkstoff eingefüllt. Wird eine pulverförmige Metall-/Treibmittelmischung eindosiert, so ändert sich während des IHU-Prozesses durch das Ausformen der Hohlstruktur der Spannungszustand in der Vormateriallage derart, dass es zu Verwirbelungen und starken Scherbeanspruchungen der Pulverpartikel kommt. Dies hat den Vorteil, dass die Oxidhäute der Pulverpartikel aufreißen hierdurch und die neu gebildeten Oberflächen einzelner Pulverpartikel verschweißen.

Die bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Metall-/Treibmittelmischung ist offenporös und weist im vorverdichteten Zustand ein sprödes Verformungsver halten auf. Daher wird zwischen die zu verdichtende Metall-/Treibmittelmischung auf der einen Seite und das Druckmedium auf der anderen Seite eine Trennlage eingefügt. Diese Trennlage hat den Vorteil, dass das Eindringen des für den IHU-Prozess benötigten Druckmediums in die zunächst offenporige Struktur der Metall-/Treibmittelmischung verhindert wird. Zusätzlich wird vermieden, dass das Vormaterial im vor-/teilverdichteten Zustand bricht und sich während der Umformung Teile frei im Druckmedium bewegen. Bevorzugt weist die Trennlage von der Grundform her den Charakter eines Hohlkörpers auf, der druckdicht mit der IHU-Einrichtung verbunden werden kann.

Auch die Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen der Schicht aus aufschäumbaren metallischen Werkstoff und massiv metallischem Werkstoff während des endformgebenden Umformschrittes erreicht wird. Auch die Variante hat daher den Vorteil, dass es für alle Werkstoffkombinationen mit ausreichenden aber nicht notwendigerweise mit ähnlichen Umformeigenschaften anwendbar ist. Das Wanddickenverhältnis zwischen der massiven und der aufschäumbaren metallischen Schicht kann je nach geplanter Umformung frei gewählt werden. Weiterhin hat auch die Variante den Vorteil, dass mit geringem Aufwand eine nur auf einem Teilbereich ihrer Länge ausgeschäumte Struktur herstellbar ist. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auch die Verringerung der Prozessschritte zur Herstellung einer metallschaumgefüllten Hohlstruktur, bei der zwischen Schaumkern bzw. aufschäumbarem metallischen Material und Hohlstruktur bzw. massivem metallischen Material metallische Bindungen vorliegen. Da während des IHU-Prozesses die Metall/Treibmittelmischung direkt endverdichtet wird, hat dieses Verfahren gegenüber den vorbekannten Verfahren den Vorteil, dass die Prozesszeit erheblich verkürzt wird. Weiterhin verringert sich die Prozesszeit durch Vermeidung der Schaumexpansion im IHU-Gesenk erheblich und eine kritische thermische Belastung des kostenintensiven IHU-Gesenks wird vermieden.

Bei der erfindungsgemäßen Variante besteht die Trennschicht bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff. Die Trennlage kann dann im Hohlprofil verbleiben. Bevorzugt ist hierbei ein Material, dessen Schmelzpunkt (Liquidus-Linie) nicht über dem Schmelzpunkt des aufschäumbaren metallischen Werkstoffs liegt. Eine derartige Trennschicht behindert beim späteren Ausschäumen der Hohlstruktur die Expansion des Schaumes nicht, sondern schmilzt mit dem schäumbaren Halbzeug auf und wird letztlich ebenfalls zu einem Teil des Schaumkerns.

Neben einer niedrigschmelzenden Aluminium-Legierung kann diese Trennschicht beispielsweise aus einer niedrig schmelzenden Aluminium-Legierung oder einer Zink-Basislegierung bestehen.

Bevorzugt wird die Oberfläche dieser metallischen Trennschicht und gegebenenfalls auch die Oberfläche des massiven metallischen Werkstoffs mechanisch oder chemisch oberflächenbehandelt. Auch bei dieser Variante erfolgt die mechanische Oberflächenvorbereitung bevorzugt durch Schleifen, Schmirgeln und/oder Strahlen; die chemische Oberflächenbehandlung durch Behandlung mit Laugen, Säuren, Elektrolyten, organischen Lösungsmitteln usw. Vorzugsweise werden auch hier die zu behandelnden Oberflächen erst mechanisch behandelt und anschließend mit organischen Lösungsmitteln entfettet. So wird die auf jeder Oberfläche vorhandene Oxidschicht in der Dicke reduziert und von Öl-/Fettresten gereinigt. Besonders geeignet ist eine Oberflächenbehandlung, wenn eine vorverdichtete Metall-/Treibmittelmischung in Rohrform vorliegt.

Die Oberflächenvorbereitung der zu verbindenden Kontaktflächen hat den Vorteil, dass eine reproduzierbare sichere Verbindung zwischen dem aufschäumbaren und dem massiven metallischen Material gewährleistet ist. Diese kann während der Schaumexpansion durch chemische Prozesse noch intensiviert werden. Durch die Metallschaumexpansion in einem Ofen kann nicht nur für definierte Prozessbedingungen (z.B. besondere Atmosphäre), sondern auch für eine optimierte Schäumprozesszeit gesorgt werden. Die Vermeidung der Schaumexpansion im IHU-Gesenk verringert die Prozesszeit erheblich und vermeidet die kritische thermische Belastung des kostenintensiven IHU-Gesenks.

Soll die Trennschicht nach dem Innenhochdruckumformungsprozess aus der Hohlstruktur entnommen werden können, so wird bevorzugt eine Trennschicht aus einem elastischen Material, insbesondere einem elastischen Kunststoff verwendet.

Bei dieser Verfahrensvariante kann die Trennlage auch vorteilhaft so ausgestaltet werden, dass die Metall/Treibmittelmischung zur Herstellung der aufschäumbaren Schicht an einem bestimmten Bereich innerhalb der umgebenden Struktur (d.h. der Schicht aus massivem metallischen Material) positioniert wird, so dass auf vorteilhafte Weise eine nur lokale Verbindung der Hohlstruktur mit einer schaumfähigen Innenlage erfolgt und damit ein lokales Ausschäumen der Hohlstruktur ermöglicht wird. In einer ähnlichen Weise kann vorgegangen werden, wenn ein bereits schaumfähig verdichtetes Halbzeugrohr eine Hohlstruktur lediglich lokal, d.h. auf einem Teilbereich ihrer Länge ausfüllt. Das elastische, bevorzugt schlauchförmige Material dient dann einerseits der Positionierung innerhalb der Hohlstruktur, andererseits erlaubt es den Anschluss an das zur Druckaufbringung genutzte hydraulische System der IHU-Anlage. Als Material für diese Trennschicht aus elastischem Kunststoff kommen beispielsweise Polymerwerkstoffe in Frage, wie sie für die Herstellung von Formen für das kaltisostatische Pressen eingesetzt werden. Es ist dabei von Vorteil, einen speziellen Werkstoff mit hoher Elastizität (geringem Elastizitätsmodul und hohem Dehnvermögen) zu wählen, da sich dieser bei Entlastung vom für die Umformung benötigten Druck gegebenenfalls durch eine überlagerte Zugbelastung leicht vom fertig kompaktierten, schaumfähigen Material abziehen und aus der nun ausgeformten Hohlstruktur entnehmen lässt.

In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens und von dessen Variante kann neben einer Temperierung der Umformwerkzeuge und ggf. des verwendeten Druckmediums auch eine gewisse Haltezeit – idealer weise unter Nachregelung des Drucks – vorgesehen werden. Hierdurch werden Fließvorgänge im ggf. vorverdichteten Pulver genutzt und der Verdichtungs-/Verbindungsprozess damit unterstützt. Zusätzlich können sich auch die hohen mit den IHU-Anlagen realisierbaren Drücke positiv auf den Prozess auswirken. Sie liegen in einer Größenordnung bis hin zu einigen 10.000 bar.

Bester Weg zur Realisierung der Verfahren:
Ohne Einschränkung der Allgemeinheit werden die erfindungsgemäßen Verfahrensvarianten nachfolgend anhand von mehreren Beispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
1 Herstellung einer metallschaumgefüllten Hohlstruktur aus einem Blech aus massivem metallischen Material und einem Blech aus aufschäumbaren metallischen Material
2 Herstellung einer metallschaumgefüllten rohrförmigen Struktur aus einem massiven metallischem und einem Rohr aus aufschäumbaren metallischen Material
3 Herstellung eines rohrförmigen Bauteils mit je einer Schicht aus massivem metallischen Material und aufschäumbaren metallischen Material mittels Innenhochdruckumformen aus einem massiven metallischem Rohr und einem vorkompaktierten Gemisch aus einem Treibmittel und einem Metall
Beispiel 1
In 1 ist eine Schicht aus aufschäumbaren metallischen Material 1 sowie ein massives metallisches Blech 2 dargestellt. Diese müssen zunächst auf die gewünschten (vorzugsweise gleichen) Abmessungen zugeschnitten werden. Anschließend erfolgt eine Oberflächenbehandlung der beiden Schichten und die beiden Schichten werden mit der oberflächenbehandelten Seite aufeinandergelegt. Das so entstandene Blechpaket 3 wird in die Umformeinrichtung eingespannt, wobei das schaumfähige Material oben liegt, während die Hauptumformrichtung nach unten gerichtet ist. Bevorzugt wird das Blechpaket an den Rändern durch eine geeignete Spanneinrichtung fixiert. Während des Umformvorgangs werden die beiden vorbereiteten Blechoberflächen stark zusammengepresst und gleichzeitig plastisch umgeformt, wobei das umgeformte Bauteil 4 entsteht. In den nicht umgeformten Bereichen, d.h. beispielsweise in den Blechpartien, die durch die Einspannung fixiert waren, liegen keine metallischen Bindungen vor, so dass an diesen Stellen das aufschäumbare Material in einfacher Weise an der Umformkontur vom Verbund abgetrennt werden kann. Es entsteht dabei das nachbehandelte umgeformte Bauteil 5. Aus zwei derartigen Bauteilen kann daher durch Schweißen ein mit einer aufschäumbaren inneren Schicht versehenes Bauteil 6 hergestellt werden. Nach dem Fügen wird die gesamte Verbund-Hohl-Struktur (mit der schäumbaren Lage innen) in einen Ofen auf bzw. über Schmelztemperatur des Metalls bzw. der Metalllegierung in der schaumfähigen Lage erwärmt und diese zum Schaumkern expandiert. Entweder kann hierbei der Querschnitt der Hohlstruktur durch den expandierten Metallschaum vollständig ausgefüllt werden (7) oder teilweise ausgefüllt werden (8). Dies kann sowohl durch die Dicke der aufschäumbaren Schicht als auch durch den Aufschäumvorgang selbst (z.B. der Verweilzeit im Ofen) eingestellt werden. Das Aufschäumen der aufschäumbaren Schicht erfolgt unter normaler, Schutzgas- oder reduzierender Atmosphäre. Während der Schaumexpansion werden zusätzlich zu den während der Umformung erzeugten metallischen Bindungen zwischen dem aufschäumbaren (und dann schäumenden) Material und dem Hohlstrukturmaterial weitere metallische Bindungen erzeugt. Hierfür sind unter anderem chemische Prozesse (z.B. Reaktionen mit freiwerdendem Wasserstoff und Diffusionsvorgänge) verantwortlich. Nach dem Aufschäumvorgang liegt eine metallschaumgefüllte Hohlstruktur mit einer hohen Dichte metallischer Bindungen zwischen Metallschaum und Hohlstrukturmaterial vor.
Beispiel 2
In 2 ist eine rohrförmige Schicht aus aufschäumbaren metallischen Material 1a und ein Rohr aus massivem metallischen Material 2a dargestellt. Der Durchmesser des Rohres 1a ist dabei so ausgelegt, dass Rohr 1a in Rohr 2a eingeschoben werden dann. Bevor die Rohre jedoch ineinander gesteckt werden, werden sie mechanisch oder chemisch oberflächenbehandelt. In direktem Anschluss wird das Rohr aus aufschäumbarem Material in das Rohr aus massivem Material gesteckt, wobei das Schichtensystem 3a entsteht. Mittels Innenhochdruckumformens wird dieses Schichtsystem in die endgültige Hohlstrukturform 4a gebracht. Während des IHU-Prozesses wird das Rohr aus aufschäumbarem Material durch den Innendruck an das Rohr aus massivem Material gepresst, bis die Streckgrenze beider Rohre zusammen überschritten wird. Beide Rohre zusammen werden dabei plastisch geweitet, bis sie die Innenkontur des IHU Gesenks angenommen haben. Während des Umformvorgangs werden die beiden vorbereiteten Rohroberflächen stark zusammengepresst und gleichzeitig plastisch umgeformt. Die plastische Umformung gestaltet sich derart, dass beide Rohre im Durchmesser geweitet werden, wodurch sich die Rohrwandstärke verringert und die Oberfläche vergrößert. Nach dem Umformen wird die Gesamtverbundhohlstruktur (mit der schäumbaren Lage innen) aus dem IHU-Gesenk genommen und in einem Ofen auf bzw. über die Schmelztemperatur des Metalls bzw. der Metalllegierung in der aufschäumbaren Schicht erwärmt und diese zum Schaumkern expandiert. Die Hohlstruktur kann hierbei vollständig durch den expandierten Metallschaum ausgefüllt werden (5a) oder nur teilweise ausgefüllt werden (6a). Sowohl über die Dicke der aufschäumbaren Schicht als auch über den Schäumvorgang selbst (z.B. der Verweilzeit im Ofen) kann dies eingestellt werden. Das Aufschäumen erfolgt unter normaler, Schutzgas- oder reduzierender Atmosphäre. Während der Schaumexpansion werden zusätzlich zu den während der Umformung erzeugten metallischen Bindungen zwischen dem schaumfähigen (schäumenden) Material und dem Hohlstrukturmaterial weitere metallische Bindungen erzeugt. Dies wird beispielsweise durch chemische Prozesse z.B. Reaktionen mit frei werdendem Wasserstoff, Diffusionsvorgänge) verursacht. Nach dem Schäumprozess liegt eine metallschaumgefüllte Hohlstruktur mit einem hohen Grad metallischer Bindungen zwischen Metallschaum und Hohlstrukturmaterial vor.
Beispiel 3
3 zeigt ein Rohr aus massivem metallischen Material 2a und einen rohrförmigen vorverdichteten Presskörper aus einem Metall-Treibmittelgemisch. In einem ersten Schritt wird der vorverdichtete Presskörper in das Rohr aus massivem metallischem Material eingeschoben (Teilschritt a und b). Anschließend wird die Trennlage 11 in die Hohlstruktur eingebracht und die so vorbereitete Hohlstruktur in die IHU-Form 10 eingelegt. Anschließend wird die IHU-Form geschlossen (Teilschritt c). Die Trennschicht besteht hierbei aus einem elastischen Kunststoff der nach dem IHU-Prozess wieder aus der Hohlstruktur entnommen werden kann. Während des IHU-Vorgangs wirkt das Druckmedium auf die Trennlage (Teilschritt d), welche zunächst die vorverdichtete Metall-/Treibmittelmischung weiterverdichtet. Dabei wird zunächst ein offenporöses Verbindungsnetzwerk zwischen den Pulverpartikeln aufgebaut, bzw. intensiviert. Sobald durch den Innendruck die elastische Dehngrenze der Hohlstruktur überschritten wird, beginnt sich diese parallel zu der bereits vorher initiierten Pulverdichtung auszuformen, um sich an die Innenkontur der IHU-Form anzulegen. In dieser Phase des Umformungsvorgangs laufen drei Prozesse gleichzeitig ab. Durch das Ausformen der Hohlstruktur ändert sich der Spannungszustand in der Vormateriallage, so dass es zu starken Scherbeanspruchungen der Pulverpartikel kommt. Die Oxidhäute der Pulverpartikel reißen auf und die neu gebildeten Oberflächen einzelner Pulverpartikel verschweißen. Im letzten Schritt des IHU-Vorgangs hat sich die Hohlstruktur bereits weitestgehend ausgeformt und liegt damit an der Innenkontur des Werkzeuges großflächig an. Wenn während der Umformung, die Enddichte zum aufschäumbaren Material nicht erreicht wird, so wird nach Abschluss der Umformung ein stark erhöhter Druck aufgebracht, der direkt auf die endzuverdichtende Lage wirkt und im IHU-Werkzeug und der bereits an diesem anliegenden Hohlstruktur ein Widerlager findet. Die Verdichtungsrichtung steht in diesem Fall senkrecht zur Oberfläche der Hohlstruktur, wodurch eine günstige Scherbelastung auf die Pulverpartikel wirkt, wie sie z.B. beim kaltisostatischen Pressen nicht auftritt. Diese Randbedingungen ermöglichen die Verdichtung der Vormateriallage bis auf nahezu 100% der theoretischen Dichte. Beim Ausformen der Hohlstruktur wird auch deren Oberfläche vergrößert, so dass auch hier neu gebildete, nicht oxidierte Oberflächenbereiche mit den Pulverpartikeln verschweißen. Ergebnis dieses IHU-Vorgangs ist schließlich eine Verbundstruktur in endgültiger Form mit einer massiven Materiallage außen und einer metallisch angebundenen schäumfähigen Materiallage innen; die Trennlage 11 kann nach erfolgter Druckentlastung aus dem Hohlkörper entnommen werden (Teilschritt e). Abschließend wird die Verbundstruktur aus der Umformeinrichtung entnommen und in einem konventionellen Ofen auf bzw. über die Schmelztemperatur des aufschäumbaren Materials erwärmt, so dass diese Materiallage zum Metallschaumkern expandiert.

Claims

Hohlbauteil aus Verbundwerkstoff mit mindestens einer Schicht aus einem massiven metallischem Werkstoff und mindestens einer Schicht aus einem aufschäumbaren metallischen Werkstoff, wobei die Außenfläche des Hohlbauteils durch die mindestens eine Schicht aus massivem metallischen Werkstoff gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem massiven metallischen Werkstoff und dem aufschäumbaren metallischen Werkstoff metallische Bindungen vorliegen und dass diese metallischen Bindungen über die Grenzfläche zwischen den Schichten des Hohlbauteils gleichmäßig verteilt sind.
Hohlbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlbauteil mindestens eine Schweißnaht aufweist und im Bereich der Schweißnaht zwischen dem massiven metallischen Werkstoff und dem aufschäumbaren metallischen Werkstoff metallische Bindungen vorliegen.
Hohlbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlbauteil nahtlos hergestellt ist.
Hohlbauteil nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche des Hohlbauteils durch eine weitere Schicht eines massiven metallischen Werkstoffs gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus Verbundwerkstoff, insbesondere eines Hohlbauteils nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest jeweils eine Seite mindestens einer Schicht aus einem massiven metallischen Werkstoff und mindestens einer Schicht aus einem aufschäumbaren metallischen Werkstoff mechanisch und/oder chemisch oberflächenbehandelt wird, dass dann diese Schichten so angeordnet werden, dass deren oberflächenbehandelte Seiten mindestens teilweise einander zugewandt sind, und dass dieses Schichtsystem anschließend einem Umformprozess unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformen mittels Tiefziehen, Streckziehen, Pressen und/oder Innenhochdruckumformen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformen so durchgeführt wird, dass eine Oberflächenvergrößerung von mindestens 20%, bevorzugt von mindestens 40% erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines Hohlbauteils aus Verbundwerkstoff, insbesondere nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Innenfläche einer Schicht aus einem massiven metallischen Werkstoff zumindest in Teilbereichen ein Gemisch aus mindestens einem Metall und mindestens einem Treibmittel aufgebracht wird, und dass anschließend mittels Innenhochdruckumformen einerseits aus dem Gemisch aus dem mindestens einen Metall und mindestens einen Treibmittel eine Schicht aufschäumbaren metallischen Werkstoffs erzeugt wird und andererseits das Schichtsystem aus dem massiven metallischen Werkstoff und dem aufschäumbaren metallischen Werkstoff umgeformt wird, wobei als Grenzschicht zum Druckmedium des Innenhochdruckumformprozesses eine Trennschicht in das Hohlbauteil eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet dass die Trennschicht aus einem metallischen Werkstoff besteht.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugewandten Seiten der mindestens einen Schicht aus massiven metallischen Werkstoff und/oder der Trennschicht mechanisch und/oder chemisch oberflächenbehandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzpunkt bzw. der Liquiduspunkt des metallischen Werkstoffs der Trennschicht nicht über dem Schmelzpunkt des aufschäumbaren metallischen Werkstoffs liegt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet dass die Trennschicht aus einem elastischen Kunststoff besteht.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht nach dem Ende des Umformprozesses aus dem Hohlbauteil entnommen werden kann.
Verfahren nach den Ansprüchen 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Gemisch aus dem mindestens einen Metall und mindestens einen Treibmittel pulverförmig ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmige Gemisch zwischen die Trennschicht und die Schicht aus massivem metallischen Werkstoff eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch aus dem mindestens einen Metall und mindestens einen Treibmittel zusätzlich einen Binder enthält, der vor Beginn des Innenhochdruckumformens chemisch oder thermisch wieder entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch aus dem mindestens einen Metall und mindestens einen Treibmittel in Form eines vorverdichteten Presskörpers oder in Form eines Granulats eingesetzt wird.
Verwendung des nach den Ansprüchen 5 bis 17 hergestellten Bauteils aus Verbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die aufschäumbare Schicht zu einer Schicht aus Metallschaum aufgeschäumt wird.