DE1294024B

DE1294024B - Verfahren zur Herstellung von Schaummetallen

Info

Publication number: DE1294024B
Application number: DEA46718A
Authority: DE
Inventors: Hardy Paul W; Peisker Glenn W
Original assignee: American Can Co
Current assignee: Primerica Inc
Priority date: 1963-07-31
Filing date: 1964-07-29
Publication date: 1969-04-30
Also published as: NL6408634A; SE308617B; US3300296A; GB1079404A; CH441770A

Description

	Solidus	Liquidus-
Legierung	temperatur	temperatur
	⁰C	°C
Al 99	643	657
AlMn	643	654
AlMgI	626	652
AlMg 5	584	640
AlZnMgCu 1,5	477	637
Mg —Al 6	525	618
Mg —Al 8	490	610

und zur Wärmeisolation bei erhöhter Temperatur ver- io bei 1452⁰C.
wendbar. Bisher wurden diese Werkstoffe jedoch Bei reinen Metallen fallen Solidus- und Liquidus-

wegen ihrer hohen Kosten und auch wegen der mit der temperatur mit dem Schmelzpunkt zusammen, während Herstellung verbundenen Schwierigkeiten nur sehr der Erstarrungsintervall für einige, vorzugsweise erfinbegrenzt angewendet. Im allgemeinen war bisher eine dungsgemäß zu behandelnde Legierungen zwischen extrem genaue Überwachung und Regelung und eine 15 folgenden Temperaturen liegt:
Vielzahl von einzelnen Arbeitsschritten bei der Herstellung von Schaummetallen notwendig.

Eines der Probleme bei der Schaummetallherstellung besteht darin, ein Entweichen des Gases, das zur Bildung der Hohlräume in der plastischen, geschmol- ao zenen Metallmasse gebraucht wird, zu verhindern. Wenn nicht Maßnahmen getroffen werden, die das Entweichen des Gases aus dem geschmolzenen Metall hemmen, so ist der Grad der Schaumbildung nur sehr gering.

Zwei der gebräuchlichsten Methoden, das Entweichen der Gase aus der Schmelze zu vermeiden, bestehen im Schmelzen unter erhöhtem Druck oder im Gebrauch von Legierungen, die eine große Differenz zwischen Solidus- und Liquidustemperatur aufweisen und so die Herstellung einer Schmelze ermöglichen, die aus zwei Phasen, einer teigigen und einer flüssigen, besteht; im allgemeinen ist ein Überwiegen der teigigen Phase von Vorteil.

Bei der Herstellung von Schaummetall besteht das 35 ralien in ihrer hydratisierten Form angegeben, die zur gebräuchlichste Verfahren zur Erzeugung des Gases, Erhöhung der Zähigkeit einer geschmolzenen Legiedas die Hohlräume bildet, in der Anwendung eines in
der Wärme unter Gasabgabe zerfallenden Stoffes.
Dieses Verfahren ist in den USA.-Patentschriften
2 751 289 und 2 983 597 offenbart. 40

Die Erfindung bezieht sich auf ein einfaches und wii tschaftliches Verfahren zur Herstellung von Schaummetall, das ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aufweist, durch kontrollierte Schaumbildung in einer Metallschmelze, was durch Erhöhung der 45 _{nv n}

Zähflüssigkeit der Schmelze erreicht wird; das Ver- ^immer-uruppe fahren ist kostensparend und doch der Herstellung von Schaummetall aus verschiedenen Legierungen angepaßt.

Das oben angegebene Ziel wird durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht, bei dem zwecks Erhöhung der Zähflüssigkeit der Schmelze das Pulver eines vom Metall benetzbaren wasserfreien, siliciumhaltigen Minerals in einer Menge von weniger als 50 % der Schmelze vollständig in derselben dispergiert wird 55 Gruppe: und im Falle der Pulverzugabe zu einer Legierungsschmelze wenigstens zum Beginn der Schaumbildung eine Temperatur oberhalb der Solidus-, aber unterhalb der Liquidustemperatur der Schmelze gewählt wird.

Die Mineralien werden durch die Metallschmelze benetzt und erhöhen auf diese Weise die Zähflüssigkeit derselben, wodurch der Grad der Gasretention in der Schmelze zunimmt.

Das ermöglicht eine relative zeitliche Verlängerung *> °^ie Formeta sind stark vereinfacht, da die meisten Zusam-

j r. 1 ιΓ·ι j jj c ι.·· ι. r mensetzungen auf Grund von isomorphen Substitutionen sehr

des Schaumbildungsvorgangs und des aufgeschäumten 65 Komplex skid.

Zustandes der heißen Schmelze, ohne daß der Schaum

zusammenfällt, da die Gasblasen nur schlecht ent- Obgleich die Mineralteilchen vorzugsweise der

weichen können. Schmelze zugesetzt werden, können sie auch zu dem

Es ist notwendig, daß die Teilchen der obenerwähnten nichtmetallischen Mineralien vollkommen in der Schmelze verteilt werden und so verbleiben, damit die Zähflüssigkeit der Schmelze einheitlich bleibt. In der Tabelle sind nichtmetallische, siliciumhaltige Mine-

rung angewandt worden sind.

Siliciumhaltige Mineralien

Mineral	Formel
Pyrophyllit	Al₈(Si₄O₁₀)(OH)₂
Talk	Mg₃(Si₄O₁₀)(OH)₂
Glimmer-Gruppe:
Muskowit	KAl₂(AlSi₃O₁₀)(OH)₂
Paragonit	NaAl₂(AlSi₃O₁₀) (OH)₂
Lepidolith	KLi₂Al(Si₄O₁₀) (OH)₂
Zinnwaldit ...	KLiFeAl(AlSi₃O₁₀) (OH)₂
Biotit	K(Mg₅Fe)₃(AlSi₃O₁₀)(OH)₂
Phlogopit	KMg₃(AlSi₃O₁₀) (OH)₂
Sprödglimmer-
Gruppe:
Margarit	CaAl₂(Al₂Si₂O₁₀) (OH)₂
Chloritoid	(Fe, Mg)₂Al₂(Al₂Si₂O₁₀) (OH)₄
Clintonit	Ca und Al des Margarit sind teil
	weise durch Fe und Mg ersetzt
Illit	wasserhaltige Glimmer
Vermiculite ...	(Mg, Fe)₃(Si,Al)₄O₁₀(OH)₂-4H₂O

noch festen Metall in das Schmelzgefäß gegeben und Schmelze beim Durchmischen schnell benetzt werden, zusammen mit ersterem aufgeheizt werden. Das Ver- Mit zunehmender Menge an wasserhaltigen Submischen kann dann stattfinden, sobald die Solidus- stanzen vergrößert sich der Erstarrungsintervall der temperatur überschritten ist. Schmelze. Menge und Größe der zur Schmelze zuge-

Wenn eine gasabspaltende Substanz benutzt wird, 5 gebenen wasserhaltigen Teilchen können abhängig die von den siliciumhaltigen, nichtmetallischen Mine- vom gewünschten Grad der Porosität des Endproralien verschieden ist, wird diese vorzugsweise nach duktes variieren. Im allgemeinen ist es wünschenswert, der Zugabe und Dispersion der Mineralien in der daß die wasserhaltige Substanz zwischen 1 und 15 ⁰I₀, Schmelze in Form feiner Teilchen in die Schmelze ein- vorzugsweise zwischen 3 und 9 % Wasser enthält,
gebracht und vollkommen mit dieser vermischt. io Viele wasserhaltige Substanzen wurden für diesen Während der Vermischung wird die Schmelze Vorzugs- Prozeß als brauchbar befunden. Es ist notwendig, daß weise auf einer Temperatur gehalten, bei der die die Wasserabgabe dieser Substanzen in einem Tempe-Substanz durch die Schmelze benetzt wird. Danach raturbereich stattfindet, der oberhalb der Soliduskann die Temperatur auf den Wert eingestellt werden, temperatur der jeweiligen Legierung liegt,
der für die Bildung von Gasblasen in der Schmelze 15 Die wassereinbringende Substanz kann eine der notwendig ist. obenerwähnten nichtmetallischen, siliciumhaltigen Mi-

Eine der Möglichkeiten, Blasen in der Schmelze zu neralien sein, wenn diese Wasser enthalten. Mit anderen erzeugen, besteht in der Zersetzung von anorganischen Worten: es wirken diese oben angegebenen Mineralien Stoffen, wie z. B. Titanhydrid, Zirkoniumhydrid, nur als bloße Eindickungsmittel, wenn sie in dehydrati-Metallsulfaten und Metallkarbonaten. so sierter Form vorliegen; wenn sie jedoch Wasser ent-

Eine andere Möglichkeit dazu ist die Zugabe eines halten, wirken sie sowohl als Eindicker als auch als Metalls oder eines Materials, das bei der Temperatur wassereinbringende Substanz, d. h. gleichzeitig als der Schmelze verdampft, wodurch in der Schmelze viskositätserhöhende und gasabspaltende Substanzen. Gasblasen erzeugt werden. Zusätzlich zu diesen hydratisierten siliciumhaltigen

Eine weitere Möglichkeit besteht bei Legierungs- 25 Mineralien können zahlreiche hydratisierte anorganischmelzen in der Zugabe eines Materials, das mit einer sehe Stoffe als wassereinbringende Substanzen benutzt Komponente der Schmelze unter Erzeugung eines werden, wie z. B. Eisenammonsulfat, Bariumhydroxyd, Gases reagieren kann. Die Art dieser Reaktion ist eher Bariumjodid, Kalziumchlorid, Kalziumhydroxyd, Cereine Redoxreaktion als eine Zersetzungs- oder Ver- sulfat, Kobaltsulfat, Kupfersulfat, Eisensulfat, Lithidampfungsreaktion. 30 umsulfit, Magnesiumsulfat, Nickelsulfat, Kalium-

Das Kristallwasser von wasserhaltigen, gasabspal- chromsulfat, Kaliumnatriumtartrat, Natriumtetraborat tenden Teilchen wird in Form von Dampf abgegeben, und Zinksulfat. Der Kristallwassergehalt dieser Stoffe wenn diese Teilchen durch die Schmelze erhitzt werden. ist unterschiedlich.

Es ist nun bekannt, daß viele Metalle, die in der Bei zahlreichen nichtmetallischen siliciumhaltigen

Spannungsreihe über dem Wasserstoff stehen, mit 35 Mineralien liegt die Verdampfungstemperatur des Wasserdampf unter Bildung von Wasserstoffgas und Kristallwassers zwischen 419 und 1210⁰C. Einige der Metalloxid reagieren, wobei die Redoxreaktion der Stoffe besitzen mehr als eine Dehydratisierungstempeallgemeinen Formel folgt: ratur, wie beispielsweise Talk mit drei Temperatur-

M + H₂O (Dampf) ^ MO + H₂ *™5?^{η>
bd CtWa 884}°^C' ⁹°^{8 Ws} "²°^{C Und bd}

40 1011 C.

M steht für ein Metall, das in der Spannungsreihe Sobald die wassereinbringenden Substanzen zur über dem Wasserstoff steht. Abhängig von den jeweili- Schmelze zugegeben sind, wird die Schmelze heftig gegen Metallen findet diese Reaktion bei verschiedenen rührt; die Art des Zumischens ist dabei nicht kritisch. Temperaturen statt. Es ist jedoch günstig, die wassereinbringenden Teilchen

Das reagierende Metall ist als Legierungspartner in 45 beim Zumischen nicht zu extremen Scherkräften aus-

der Schmelze vorhanden. Unter den Metallkomponen- zusetzen, durch die die Teilchengröße geändert werden

ten in der Schmelze, die mit Wasserdampf unter BiI- könnte und möglicherweise die Schaumbildung beein-

dung von Wasserstoffgas reagieren können, sind flußt würde.

Magnesium, Eisen, Titan, Nickel, Kobalt, Zinn, Nach dem Zumischen wird die Schmelztemperatur

Kalzium, Barium, Chrom, Mangan und Strontium. 50 während einer für die Verdampfung des Kristall-

Es ist dabei wesentlich, daß die reagierende Metall- wassers der Teilchen ausreichenden Dauer oberhalb

komponente wenigstens in einer Menge vorliegt, die ihrer Solidustemperatur gehalten. Diese hängt von der

mit dem Dampf unter H₂-Bildung reagiert. Im Fall des Schmelztemperatur und der benutzten wassereinbrin-

Reinaluminiums (AI 99,0) ist im allgemeinen mehr als genden Substanz ab; im allgemeinen wird sie nicht

eines der reaktionsfähigen Metalle anwesend. Eisen, 55 unter 10 Sekunden und nicht über 15 Minuten liegen.

Mangan und Magnesium sind zulässige Beimengungen Der in der Schmelze freigesetzte Dampf reagiert mit

des Reinaluminiums, deren Anteile an der Reaktion den reaktionsfähigen Komponenten der Schmelze

additiv zu sein scheinen. Wenn Magnesium als reagie- unter Bildung von Wasserstoffgas und Metalloxyd

rendes Metall vorliegt, kann die Reaktion schon bei entsprechend der allgemeinen, weiter oben ange-

Temperaturen von 371⁰C stattfinden, während sie bei 60 gebenen Redoxreaktion.

eisenhaltigen Schmelzen im allgemeinen erst ab 482 ⁰C Wenn die Schaumbildung abgeschlossen ist, wird

mit genügender Geschwindigkeit abläuft. Die Höhe die Schmelze unter ihre Solidustemperatur abgekühlt,

dieser Temperatur hängt auch von der Konzentration Wenn das erfindungsgemäß hergestellte leichte

des reagierenden Metalls ab. Schaummetall durch Abkühlen unter die Solidustem-

Nachdem die Solidustemperatur der Legierung über- 65 peratur erstarrt ist, kann es mit Hilfe der üblichen schritten ist, wird der Schmelze eine wasserenthaltende Werkzeuge verformt werden. Wenn andererseits eine Substanz zugegeben. Diese Substanz liegt Vorzugs- besondere Gestaltung gewünscht wird, kann die aufweise in Form kleiner Teilchen vor, die von der geschäumte Schmelze auch in eine entsprechende

Gießform gebracht und in dieser abgekühlt werden. Es kann gegebenenfalls wünschenswert sein, die Schaumbildung direkt in dieser Form vorzunehmen.

Beim Abkühlen der Schmelze unter die Solidustemperatur besitzt das Schaummetall eine zusammenhängende Außenhaut aus Metall und zufällig verteilten Teilchen der nun entwässerten oder doch wesentlich entwässerten Substanz. Das Innere der schaumartigen Masse enthält ein geringes Volumen von zufällig und im wesentlichen einheitlich verteilten Teilchen der entwässerten Substanz und eine Vielzahl von unregelmäßig großen, über die Matrix verteilten, abgeschlossenen Hohlräumen, von denen einige auch miteinander verbunden sein können.

Es können auch die Pulver des Metalls bzw. der Legierung und der nichtmetallischen, wassereinbringenden Substanz erst vollkommen miteinander gemischt und dann in einem Ofen über die Solidustemperatur des Metalls bzw. der Legierung erhitzt werden. Die teigige Schmelze hat dann einheitliche Zusammen-Setzung.

Es folgen Beispiele zur Erläuterung der Erfindung.

Beispiel 1

100 g der Legierung AlMg 3 werden in einen Tiegel gebracht, auf 610⁰C aufgeheizt und dadurch in den zähflüssigen Zustand übergeführt. In die Schmelze werden 3 g entwässerten, expandierten Vermiculits mit einem maximalen Korndurchmesser von 0,149 mm gebracht. Der Vermiculit wird mit der Schmelze während 3 Minuten gut durchmischt. Sobald der Vermiculit gleichmäßig in der Schmelze verteilt ist, wird 1 g expandierter Vermiculit mit einem Korndurchmesser von 0,297 bis 1,19 mm und 5% Kristallwassergehalt zugegeben und die Schmelze auf 704° C aufgeheizt. Dabei wird das Wasser des zuletzt zugegebenen Vermiculits als Dampf in Freiheit gesetzt, der nun mit dem Magnesium in der Legierung unter Bildung einer Vielzahl von Blasen in der Schmelze reagiert. Die Schmelze wird dann unter ihre Solidustemperatur abgekühlt und bildet nun einen festen Metallschaum mit einer Dichte von etwa 1,3 g/cm³.

Beispiel 2

75 g der Legierung AlMg 3 werden in kleine Teilchen von etwa je 0,08 g Gewicht zerspant. Diese Späne werden in einen auf 638 ⁰C aufgeheizten Ofen gebracht. Sobald die Legierung zähflüssig ist, werden 0,5 g Silicagel mit einem maximalen Korndurchmesser von 0,25 mm und einem Wassergehalt von etwa 7 °/₀ zugegeben und die Temperatur auf 676° C erhöht. Nach Schaumbildung wird die Schmelze unter ihre Solidustemperatur abgekühlt, wodurch ein schaumartiges Metallgefüge entsteht, dessen Dichte etwa 1,4 g/cm³ beträgt.

Beispiel 3

100 g der Legierung S — AlSi 5 werden auf 610⁰C erhitzt, wodurch die Legierung zähflüssig wird. In die Schmelze werden 4 g entwässerten expandierten Vermiculits mit einem maximalen Korndurchmesser von 0,149 mm zugegeben und vollständig mit dieser vermischt, wodurch die Zähflüssigkeit der Schmelze zunimmt. 10 g einer gepulverten Mischung aus 1,5 g ZrH₂ und 8,5 g einer eutektischen Mischung von Aluminium und Magnesium werden in der Schmelze verteilt. Bei etwa 626⁰C wird jedes ZrH₂-Teilchen zersetzt und gibt eine Menge von Wasserstoffgasblasen ab. Danach wird die Schmelze unter ihre Solidustemperatur abgekühlt, wodurch ein Schaummetall entsteht, das eine Dichte von etwa 0,45 g/cm³ hat.

Beispiel 4

100 g einer Legierung aus 3,5% Magnesium und 96,5 °/o handelsüblichem Reinaluminium mit einer Dichte von etwa 2,67 g/cm³ werden geschmolzen und im zähflüssigen Zustand gehalten, während 7 g expandierten Vermiculits mit einem Korndurchmesser von 0,297 bis 1,19 mm und einem Wassergehalt von 4,8 % zugemischt werden. Die Durchmischung des Vermiculits mit der Legierungsschmelze dauert 4 Minuten. Danach wird die Schmelze für weitere 3 Minuten auf 704⁰C belassen und dann unter die Solidustemperatur abgekühlt. Die entstandene leichte Schaumlegierung hat eine Dichte von etwa 1,05 g/cm³.

Beispiel 5

20 g der Legierung AlMg 5 mit einer Dichte von 2,65 g/cm³ werden in kleine, etwa 0,08 g schwere Späne zerspant. Diese werden dann mit 0,65 g Vermiculit Nr. 4 mit einem Wassergehalt von etwa 5 % gemischt. Die Mischung wird dann in einen auf etwa 638⁰C aufgeheizten Ofen gebracht und kräftig durchmischt, während die Temperatur der Mischung auf 584° C ansteigt. Nachdem die nun zähflüssig gewordene Mischung genügend gerührt worden ist, um eine gleichmäßige Verteilung des Vermiculits in der Schmelze zu gewährleisten, wird die Schmelze weitere 3 Minuten im Ofen belassen. Sie wird dann zwecks rascher Luftabkühlung unter die Solidustemperatur aus dem Ofen genommen. Der entstandene Aluminiumschaumkörper hat eine Dichte von etwa 1,3 g/cm³.

Beispiel 6

15 g Magnesiumpulver werden in 73,2 g geschmolzenes Zink eingebracht. Die Temperatur der Schmelze wird auf etwa 56O⁰C gehalten und 8 g Vermiculit mit einem Korndurchmesser von 0,25 bis 0,42 mm zugegeben. Die zähflüssige Schmelze wird dann gut gerührt, etwa 10 Minuten lang aufgeschäumt und dann unter ihre Solidustemperatur abgekühlt, wodurch ein Zn-Mg-Legierungskörper mit schaumartigem Gefüge und einer Dichte von etwa 1,4 g/cm³ gebildet wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Schaummetall, bei dem ein Metall oder eine Legierung zusammen mit dem Pulver einer Substanz, die bei oder oberhalb der Schmelztemperatur des Metalls Gas freigibt, auf Schmelztemperatur erhitzt, gut durchgerührt und nach Entstehung von Gasblasen abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erhöhung der Zähflüssigkeit der Schmelze auch noch ein Pulver eines von der Schmelze benetzbaren wasserfreien, siliciumhaltigen Minerals in einer Menge von weniger als 50% der Schmelze in dieser vollständig dispergiert wird und im Falle der Pulverzugabe zu einer Legierungsschmelze wenigstens zu Beginn der Schaumbildung eine Temperatur oberhalb der Solidus-, aber unterhalb der Liquidustemperatur der Schmelze gewählt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Viskositätserhöhendes Pulver ein solches eines Minerals aus der Gruppe Vermiculit,

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Perlit, Talk, Silicagel, Pyrophyllit, Glimmer oder dadurch gekennzeichnet, daß als gasabspaltende

Clintonit, verwendet wird. und gleichzeitig viskositätserhöhende Substanz

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- wenigstens eines der im Anspruch 2 genannten zeichnet, daß für die aufzuschäumende Schmelze Mineralien in seiner hydratisierten Form verwendet Aluminium, Magnesium, Zink, Blei, Kupfer oder 5 wird, wobei als aufzuschäumende Schmelze eine Nickel oder Legierungen dieser Metalle verwendet solche, die Magnesium, Eisen, Titan, Nickel, werden. Kobalt, Zinn, Kalzium, Chrom, Barium, Mangan

4. Abänderung des Verfahrens nach Anspruch 1, und/oder Strontium enthält, verwendet wird.

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