DE1201559B - Verfahren zur Herstellung von Schaummetallkoerpern - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES ÄW^fc PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

C22c

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche KL: 40 b-1/08

D32510VI a/40b
3. Februar 1960
23. September 1965

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Schaummetallkörpern unter Verwendung von gasabgebenden Zusätzen.

Es ist aus der französischen Patentschrift 615 147 bekannt, Metallgegenstände mit einem Kern aus Schaummetall und einer äußeren Schicht aus nicht geschäumtem Metall herzustellen. Die Herstellung erfolgt in der Weise, daß das flüssige Metall in eine Form gebracht und zum Zwecke der Aufschäumung des Kerns ein inertes Gas eingeführt wird. Die Möglichkeit, gleichmäßige Zellen im gesamten Querschnitt zu erreichen, wird bei diesem Verfahren weder angestrebt noch erscheint sie möglich.

Aus der USA.-Patentschrift 2751289 ist es bekannt, Schaummetallkörper unter Verwendung von Zirkoniumhydrid als gasabgebenden Zusatz zu erzeugen. Dabei muß man das Metall auf eine Temperatur erhitzen, welche höher ist als die Schmelztemperatur des Metallbestandteils. Für den Metallbestandteil ergeben sich deshalb lange Abkühlungszeiten und während dieser Abkühlungszeiten strebt das Metall nach unten, während die Gasblasen nach oben drängen. Eine gleichmäßige Verteilung gleichmäßig großer Zellen über den ganzen Körper ist auch hier nicht denkbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schaummetallkörper mit gleichmäßiger Zellenverteilung zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Gemisch eines zerkleinerten, duktilen Metalls, z. B. als kugeliges Pulver, und eines bei erhöhter Temperatur, aber unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls gasabgebenden Zusatzes stranggepreßt wird und die so verschweißte Mischung dann auf eine Temperatur oberhalb der Gasabgabetemperatur des Zusatzes, aber unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls erhitzt wird.

Zweckmäßig ist es, wenn man als Leichtmetall Magnesium, Aluminium oder Legierungen eines dieser beiden Metalle verwendet. Besteht das Metall aus Magnesium, so ist es zweckmäßig mit bis zu 6% Aluminium und bzw. oder Zink, gegebenenfalls bis zu 0,8 °/o mit Zirkonium legiert. Die Zellen des Formlings sind geschlossen und besitzen eine Größe, die einem Durchmesser von 0,01 bis 20 mm entspricht. Die Dichte des Formlings ist normalerweise niedriger als 1,1 g pro Kubikzentimeter, Besteht der Formling aus Magnesium, so ist die Dichte 0,5 bis 1,1 g pro Kubikzentimeter.

Für die Herstellung des Formlings wird man das Metall zweckmäßig in Form von Kügelchen verwenden. Das Ausgangsmaterial zur Herstellung des Formlings soll ein solches sein, das bei einer Tem-Verf ahren zur Herstellung von
Schaummetallkörpern

Anmelder:

The Dow Chemical Company, Midland, Mich.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann

und Dr.-Ing. A. Weickmann, Patentanwälte,

München 27, Möhlstr. 22

Als Erfinder benannt:

John Francis Pashak, Linwood, Mich. (V. St. A.)

peratur unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls biegbar und dehnbar ist. Unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls soll das zur Verwendung kommende Metall oder die Legierung auch schweißbar sein. Die zur Verwendung kommende, gasabgebende Verbindung soll eine solche sein, welche über der Schweißtemperatur bzw. der beim Strangpressen angewendeten Temperatur stabil ist, jedoch bei höherer Temperatur, aber unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls bereitwillig zersetzbar ist. Verwendet man als Metall des Formlings Leichtmetall, nämlich Aluminium, Magnesium oder deren Legierungen, so preßt man die Mischung mit der gasabgebenden Verbindung bei einer Temperatur von etwa 12 bis 18O⁰C unter derjenigen Temperatur, bei welcher das Metall für sich allein, ohne den gasabgebenden Stoff, üblicherweise stranggepreßt werden würde oder müßte. Als gasabgebende Verbindung verwendet man Kadmium- und bzw. oder Magnesiumkarbonat, wie z. B. Nesquihonit, Magnesit oder Hydromagnesit, und zwar in einer Menge von 0,5 bis 20% des Gewichtes des Metalls.
Zur Durchführung des Verfahrens wird man zunächst eine der beiden Metallverbindungen, nämlich Kadmium- oder Magnesiumkarbonat, mit einem Metall in geeigneter Form bei einer Temperatur, bei welcher die Metallteile aneinanderschweißen, dem Preßdruck unterwerfen, d. h. Strangpressen, um sodann das stranggepreßte Gut bei einer Plastizität des Materials bedingenden Temperatur zu behandeln, derart, daß sich die eingeschlossenen Karbonate zer-

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setzen, und Gase in den Zwischenräumen zwischen bonat sind ein günstiger Anteil. Das Mischen der den zusammengeschweißten Metallkügelchen erzeu- Bestandteile kann auf verschiedene Weise erfolgen, gen. Das stranggepreßte Gut schwillt und erhält eine z. B. durch gemeinsames Stürzen der einzelnen Teilzellige Struktur mit geschlossenen Hohlräumen. Das chen innerhalb eines Gefäßes, z. B. eines Fasses, so hergestellte zellige Gut besitzt noch weitgehend 5 Das Mischen kann in einer Trommel, die sich Festigkeit, vor allem aber geringeres Gewicht als 15 Minuten lang mit 50 Umdrehungen pro Minute das Metall, aus dem es hergestellt ist. Das Metall dreht, vorgenommen werden. Es kann auch von kann ohne weiteres durch Schneiden und Sägen ver- Hand gemischt werden.

formt werden. Stahlnägel können in das Material ge- Die Metall-Karbonat-Mischung wird in den Betrieben werden. Die Herstellung des zelligen Form- io hälter einer Strangpresse gebracht und bei einer lings kann auch zur Füllung von Hohlkörpern zum Temperatur gepreßt, die z.B. 12 bis 180⁰C unter Zweck der Versteifung erfolgen, wie später erläu- derjenigen liegt, bei der das Metall allein normalertert wird. weise gepreßt wird. Im Falle des Vorliegens einer

In der Figur ist der Abschnitt eines Querschnittes Magnesiumlegierung wird die Temperatur des Ma-

eines zelligen Leichtmetallstückes in 120facher Ver- 15 terials im Behälter bzw. in der Spritzpresse etwa

größerung dargestellt. 150° C unter der üblichen Strangpreßtemperatur des

Das Leichtmetall besteht aus Magnesium mit 6% Metalls allein liegen. Man wird Temperaturen ver-

Zink und 0,6% Zirkonium. meiden, bei welchen eine zu starke Zersetzung des

Zur Herstellung des Formlings wird das Leicht- Karbonates eintritt. Aus diesem Grunde wird man metall durch Mahlen, Feilen, Schleifen oder sonstige 20 bei einer möglichst niedrigen Temperatur pressen, Behandlung zerkleinert bzw. pulverisiert. Die be- bei einer Temperatur, bei welcher besonders hohe sondere Form der Metallpartikelchen ist nicht von Drücke nicht auftreten, denn diese wurden eine zu gravierender Bedeutung. Es ist jedoch wünschens- starke Abnutzung der Strangpreßeinrichtung herbeiwert, ein solches pulveriges Material zu benutzen, führen. Besonders günstige Preßergebnisse werden bei welchem eine der Dimensionen, nämlich Länge, 25 erhalten bei einer Temperatur von beispielsweise Breite und Stärke, nicht das lOfache der anderen 200 bis 450⁰C. Durch den Strangpreßvorgang wer-Dimension überschreitet. Die normale zu verwen- den die einzelnen Metallteilchen innerhalb einer Madende Teilchengröße ist eine solche, die ein Stan- trize aneinandergeschweißt. Die Karbonatteilchen dardsieb Nr. 10 (2 mm Maschenweite) passiert und sind durch die Metallteilchen eingeschlossen,
von dem nicht mehr als 10% durch ein Standard- 30 Das so erhaltene Produkt wird dann bei einer sieb Nr. 325 (0,044 mm Maschenweite) hindurchgeht. Temperatur behandelt, die geeignet ist, eine Gasent-Zweckmäßig ist die Partikelgröße so, daß sie ein wicklung des Karbonates oder anderen gasent-Standardsieb Nr. 20 (0,84 mm Maschenweite) und wickelnden Stoffes in den Zwischenräumen zwischen nicht mehr als 10% des Materials ein Sieb Nr. 100 den Metallteilen herbeizuführen, durch welche die (0,15 mm Maschenweite) passieren. Die Gleichför- 35 Metallteile sozusagen aufgeblasen werden. Die Temmigkeit aller Teilchen ist nicht wünschenswert. peratur soll so hoch sein, daß eine Plastizität des

Verschiedene Karbonate der zweiten Metallgruppe Metalls vorliegt, eine Plastizität, welche das Auf-

des periodischen Systems lassen sich zusammen mit blasen oder die Herbeiführung der Zellenform durch

dem Leichtmetall, insbesondere mit dem Magnesium das Gas zuläßt.

oder Aluminium und deren Legierungen, in pulve- 40 Das auf diese Weise gewonnene, zellige Produkt

riger Form verwenden, z. B. besitzt eine niedrigere Dichte als das Metall, aus

Magnesit (MgCO ) ^{dem es} g^{eformt ist}· ^Die Dichteverminderung hängt

XT u · /α* %'n ,ti r\\ ^vom Gas des gaserzeugenden Materials, vom Metall

Nesquehomt (MgCO₃-3 H₂O), _{und yon deQ besonderen} Verfahrensbedingungen,

Hydromagnesit (3 MgCO₃ · Mg (OH)₂ · 3 H₂O), ₄₅ insbesondere der Temperatur bei der Strangpressung

Lansfordit (MgCO₃ · 5 H₂O), bzw. Erhitzung ab. Die Zellengröße bewegt sich im

Artinit (MgCO₃-Mg(OH)₂-3H₂O), Bereich von 0,01 bis 20mm im Durchmesser. Der

Cadmiumkarbonat (CdCOA größere Anteil der Zellen besitzt einen Durchmesser

von 0,03 bis 1,0 mm. Im Falle der Verwendung einer

Von diesen basischen Karbonaten ist dem Hydro- 50 Magnesiumlegierung, z.B. einer solchen, die 6%

magnesit der Vorzug zu geben. Diese Materialien Zink mit oder ohne 6% Aluminium und bis zu

sind normalerweise fein verteilt, z.B. in Teilchen 0,8% gelösten Zirkoniums enthält, bewegt sich die

kleiner als etwa 50 Mikron. Ein bevorzugter Grö- Dichte im Bereich von 0,5 bis 1,1g pro Kubik-

ßenbereich ist 0,1 bis 0,3 Mikron. Zentimeter. Im gleichen Falle sind:

Das pulverisierte, körnige Metall und das pul- 55 ..

verisierte Karbonat oder eine andere gasabgebende Druckfestigkeit 1,25 bis 3,20 kg/mm-

Verbindung werden in geeigneten Mengen miteinan- Zugfestigkeit 1,25 bis 1,50 kg/mm²

der vermischt, wobei die Metallteilchen zum min- Abscherfestigkeit 1,40 bis 2,80 kg/mm²

desten teilweise mit den Karbonatteilchen überzogen Kerbschlagfestigkeit

werden sollen, die nahezu in Staubform vorliegen 60 (charpytest) 0,035 bis 0,083 kg m.

und mehr oder weniger an den Metallteilchen haften. Die Menge des Karbonats oder gasabgebenden Darüber hinaus ist das zellige Material sehr wohl Stoffes ist nicht von markanter Bedeutung. Das dazu geeignet, eingeschlagene Nägel und eingedrehte Mengenverhältnis kann im Bereich von 0,5 bis Schrauben festzuhalten. Ein in das aus einer Ma-20 Gewichtsprozent des Metalls beliebig sein. Eine 65 gnesiumlegierang bestehende Material eingeschlagebevorzugte Menge des gasabgebenden Stoffes ist im ner 10-Penny-Nagel erfordert zum Herausziehen Falle des Magnesiumkarbonats 5%, im Falle des einen Zug von 28 kg pro Zentimeter Eindringungs-Cadmiumkarbonats 15%. 2 bis 8% Magnesiumkar- tiefe. Das Herausziehen des gleichen Nagels aus

einer Gelb- oder Weiß-Kiefer erfordert zum Vergleich 23,5 bzw. 12,5 kg pro Zentimeter Eindringungstiefe. Eine 3,7-cm-Nr. 10-Holzschraube erfordert zum Herausziehen pro Zentimeter Eindringungstiefe aus dem gleichen Material eine Zugkraft von 214 kg. Das Herausziehen der gleichen Schraube aus einer Weiß-Kiefer erfordert 57 kg Zugkraft. Das zellige Produkt gemäß der Erfindung besitzt eine unüblich niedrige, thermische Leitfähigkeit. Im Falle der Magnesiumlegierung ist die Leitfähigkeit ein Sechstel bis ein Siebentel der massiven Legierung. Das in der Figur im Querschnitt dargestellte Material besteht aus Magnesium und besitzt einen Gehalt von 6% Zink und 0,6% Zirkonium. Das Ausgangsmaterial zur Herstellung der Legierung bestand aus kugeligen Metallteilchen, welche ein Standardsieb Nr. 10 passierten und von einem Standardsieb Nr. 100 zurückgehalten wurden. Dieses Material wurde mit 5 Gewichtsprozent Hydromagnesit gemischt, welcher ein spezifisches Gewicht von 2,16 aufwies. Das Mischen wurde in einem Mischfaß 30 Minuten lang durchgeführt. Das hergestellte Gemisch wurde in einen Rezipienten von 10 cm Durchmesser einer Strangpresse gebracht, deren Matrize eine öffnung von 2,5 cm Durchmesser aufwies. Die Mischung wurde auf etwa 225° C und der Stempel

ίο auf etwa 22O⁰C erhitzt. Der Kolben der Presse wurde mit 400 bis 4501 belastet. Dabei wurde ein Stab von 2,5 cm Durchmesser gepreßt. Dieser Stab wurde Va Stunde lang bei 515° C behandelt. Das Ergebnis dieser Behandlung war die gezeigte zellige Struktur und die Dichte von 0,71 g pro Kubikzentimeter. Die nachstehende Tabelle gibt die Verfahrensbedingungen und erhaltbaren Dichten wieder.

	Zusar Legierungs zusammensetzung	nmensetzung der J Teilchengröße*)	ilischung Art des Karbonates	10	Strangp Tempera tur 0C	ressen Reduk tion	Wärme-	dlung Tempe ratur 0C	Dichte des Produktes Gramm je Kubikzentimeter
Beispiel	6% Zn, 0,6%			15			behan Zeit Stunden
1	Zr, Rest Mg	-20 + 100	CdCO3	5	370	9:1		565	1,1
	desgl.	-20 + 100	CdCO,,	5	370	9:1	0,25	515	0,78
2	desgl.	-10+ 100	MgCO-,	5	260	9:1	1,0	515	0,68
3	desgl.	-10+ 100	MgCO,	5	226	9:1	0,5	527	0,57
4	desgl.	-100	MgCO3	1	182	9:1	0,5	515	0,82
5	desgl.	-10+ 100	MgCO3		204	36:1	0,5	515	0,73
6	desgl.	-10 + 100	MgCO,	5	204		0,5	515	0,83
7	4% Zn, 0,6%						0,5
8	Zr, Rest Mg	-20	MgCO3	5	204	9:1		538	0,85
	0,5% Zr,						0,25
9	Rest Mg	-20	MgCO3	5	204	9:1		538	0,9**)
	6% Al, 3% Zn,			5			1,0
10	Rest Mg	-20	MgCO3		204	9:1		538	1,0**)
	100% Al	-20	MgCO3		343	31:1	1,0	527	2,14
11	1,3% Mg,						0,5
12	0,25% Cr,			5
	0,7% Si,
	Rest Al	-20	MgCO3		329	31:1		527	1,86
	1,6% Cu, 2,5%						0,5
13	Mg, 0,3% Cr,			5
	5,6% Zn,
	Rest Al	-20	MgCO3	329	31:1		527	1,43
				0,5

*) Das einer Ziffer vorangehende Minuszeichen bedeutet, daß die Teilchen durch ein mit dieser Ziffer bezeichnetes Standardsieb passieren. Das vor der Ziffer stehende Pluszeichen bedeutet, daß die Teilchen auf einem Standardsieb dieser Nummer zurückgehalten wurden.

**) Abgeschätzt.

Für die Beispiele 1 bis 11 einschließlich bestanden die Metallteilchen im wesentlichen aus Kügelchen, hergestellt durch

Zerstäubung.

Für die Beispiel-Nummern 12 und 13 bestanden die Metallteile aus Sägespänen.

Das verwendete MgCOe ^war Nesquehonit.

Die Reduktion ist das Verhältnis des Querschnitts des Rezipienten der Presse zum Querschnitt der Matrize.

Bei Verwendung des zelligen Produktes als Füllmaterial, z. B. zur Versteifung von hohlen Gegenständen, wird dem stranggepreßten Produkt vor der Wärmebehandlung eine Form gegeben, welche der Hohlform, in die es eingebracht werden soll, geometrisch ähnlich, aber kleiner ist. Die Größe des so hergestellten, gespritzten, als Füllmaterial zu verwendenden Formstückes kann ermittelt werden aus der zu erwartenden Dichteänderung, die sich bei der nachfolgenden Hitzebehandlung ergibt. Das stranggepreßte, noch nicht wärmebehandelte Material wird in die zu füllende Öffnung gebracht, sodann

hitzebehandelt, um an Ort und Stelle die erforderliche Expansion und Zellenstruktur zu erhalten. Natürlich kann das Material von vornherein in eine Form gespritzt werden, die der zu füllenden Öffnung etwa entspricht. Das Formstück wird dann in den Hohlraum gebracht und hitzebehandelt. Beim Erhitzen nimmt das in die Höhlung gebrachte Formstück die Form der Höhlung zufolge der Expansion genau an.

Wenn in der vorliegenden Beschreibung von Aluminium- und Magnesiumlegierungen gesprochen ist, so soll das auf Legierungen hinweisen, in welchen das Aluminium bzw. das Magnesium zu mindesten Gewichtsprozent der Legierung darstellen.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Schaummetallkörpern mit gleichmäßig über den Querschnitt verteilten Poren unter Verwendung von gasabgebenden Zusätzen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch eines zerkleinerten, duktilen Metalls, z. B. als kugeliges Pulver, und eines bei erhöhter Temperatur aber unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls gasabgebenden Zusatzes stranggepreßt wird und die so verschweißte Mischung dann auf eine Temperatur oberhalb der Gasabgabetemperatur des Zusatzes, aber unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls erhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man einen solchen gasabgebenden Zusatz verwendet, der bis zur Verschweißtemperatur der Mischung stabil ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als duktiles Metall ein Leichtmetall, vorzugsweise Aluminium, Magnesium oder eine Legierung dieser Metalle mit einem kleineren Legierungszusatz verwendet.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Legierung, bestehend aus Magnesium, bis zu 6% Aluminium und/ oder Zink und gegebenenfalls bis zu 0,8% Zirkonium verwendet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man bei einer Temperatur strangpreßt, die zwischen 12 und 180° C unter der normalerweise zum Strangpressen angewandten Temperatur liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man als gasabgebenden Zusatz Kadmium und/oder Magnesiumkarbonat, beispielsweise in der Form von Nesquehonit, Magnesit oder Hydromagnesit verwendet, vorzugsweise in einer Menge von 0,5 bis 20%, bezogen auf das Metallgewicht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der verschweißte Körper vor der Erhitzung in eine Form gegeben und innerhalb der Form sodann erhitzt wird unter Anpassung seiner Oberflächengestalt an die Innenwand der Form.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 615 147;
französische Patentschrift Nr. 837 467;
USA.-Patentschrift Nr. 2751289.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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