DE19501659C1 - Verfahren zur Herstellung eines Metallschaumteils - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Metallschaumteils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Metallschaum kann wie Kunststoffschaumstoff zur Wärme- und Schalldämmung eingesetzt werden. Gegenüber Kunststoffschaumstoff hat er jedoch u. a. den Vorteil, daß er aufgrund seiner Steifigkeit für tragende Strukturen verwendet werden kann, nicht brennbar ist sowie zusammen mit anderen Metallteilen als Schrott recycelbar ist.

Zur Herstellung von Metallschaum ist es bekannt, in eine Metallschmelze, beispielsweise in eine geschmolzene Aluminiumlegierung, ein Gas, wie Stickstoff, oder ein Treibmittel, mit Titanhydrid, einzurühren, wodurch eine Schaumschicht auf der Schmelze gebildet wird, die abgezogen und erstarren gelassen wird (WO 91/01387 und WO 91/03578). Nach dem bekannten Verfahren kann damit nur Halbzeug in Form von Platten oder Blöcken hergestellt werden. Wenn man ein Formteil herstellen will, muß es z. B. aus dem Metallschaumblock herausgearbeitet werden oder die Metallschaumplatten müssen zugeschnitten, positioniert und dann z. B. durch Kleben miteinander verbunden werden. Auch muß bei den meisten Anwendungen auf die porösen Oberflächen des so hergestellten Metallschaumformteils noch eine Deckschicht, beispielsweise durch Kleben, aufgebracht werden. Die Herstellung eines Metallschaumteils komplizierterer Form nach dem bekannten Verfahren ist also sehr zeit- und arbeitsaufwendig.

Ferner ist es bekannt, ein Gemisch aus Metallpulver, wie Aluminiumpulver, und einem Treibmittel, wie Titanhydrid, bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Metalls unter Druck zu sintern und den Preßling anschließend zu walzen oder strangzupressen (DE 40 18 360 C1). Damit wird ein sprödes Halbzeug gebildet, das das noch unzersetzte Treibmittel enthält. Zur Bildung eines Formteils wird das Halbzeug in einer Form auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts der Matrix und der Zersetzungstemperatur des Treibmittels erwärmt. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß man einerseits eine heizbare Form benötigt und andererseits das Halbzeug mit einem entsprechenden Arbeitsaufwand zuschneiden und in der Form positionieren muß.

Nach einem weiteren bekannten Verfahren wird ein Gemisch aus Aluminiumpulver und Treibmittel mit einer Strangpreßmaschine zu Stangen und dgl. Halbzeug extrudiert, welches das noch unzersetzte Treibmittel enthält (EP 0 559 097 A2).

Aus DE 34 47 470 A1 geht ein sogenanntes Platzhalterverfahren zur Herstellung einer porösen Metallstruktur hervor. Dabei wird durch thermisches Spritzen eine Spritzschicht aus einem Metallpulver mit einem hohen Anteil eines organischen Polymeren von beispielsweise 35 bis 45 Vol.-% gebildet. Die Spritzschicht wird dann auf die Zersetzungstemperatur des organischen Polymeren erhitzt. Die gasförmigen Zersetzungsprodukte des Polymeren verflüchtigen sich durch die offenen Poren der festen Spritzschicht, wodurch eine Spritzschicht mit einem Hohlraumanteil zurückbleibt, der dem Volumen des Polymeren entspricht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Metallschaum-Teil beliebiger Form mit geringem Aufwand herzustellen.

Dies wird erfindungsgemäß mit dem im Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahren erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Substrat verwendet, das entsprechend dem Bauteil geformt ist, das hergestellt werden soll. Entsprechend dem Bauteil kann das Substrat eine beliebige Form besitzen. D. h., es kann Kanten, Ecken und andere Krümmungen mit beliebigem Krümmungsradius, Hinterschneidungen, Bohrungen oder sonstige Aussparungen, Vorsprünge oder dgl. aufweisen.

Wenn beispielsweise ein Kardantunnel für ein Kraftfahrzeug hergestellt werden soll, kann das Substrat also beispielsweise aus Blech bestehen, das entsprechend dem Kardantunnel geformt ist. Das Substrat braucht jedoch nicht aus Blech bestehen. Vielmehr kann es auch ein Rohr, ein massives Teil oder dgl. sein. So ist es z. B. möglich, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren einen Stab, ein Rohr oder einen Ring mit einem darum angeordneten koaxialen Rohr oder Ring zu verbinden, indem man auf den Stab, das Rohr bzw. den Ring eine ringförmige Spritzschicht aufbringt, das damit zu verbindende Rohr oder den Ring über die Spritzschicht schiebt und die Spritzschicht dann aufschäumt.

Der Begriff "Metallschaumteil" umfaßt also nicht nur Bauteile, die ganz oder im wesentlichen aus Metallschaum bestehen, sondern ganz allgemein Bauteile, die mit Metallschaum versehen sind. Selbstverständlich kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Halbzeug hergestellt werden, also Flach- oder Rohrmaterial, Profilstäbe oder dgl. D. h., auch Halbzeug fällt unter diesen Begriff.

Auch ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf Bauteile beschränkt. Vielmehr kann danach jeder beliebige Gegenstand mit einem Metallschaum versehen werden, sofern er der Temperatur standhält, der er beim thermischen Spritzen mit dem Metallpulver ausgesetzt ist. D. h., das erfindungsgemäße Verfahren kann auch dazu verwendet werden, z. B. einen Metallgegenstand aus z. B. ästhetischen Gründen mit einer porigen Oberfläche zu versehen.

Freilich werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vor allem solche Bauteile hergestellt, bei denen die genannten Vorteile eines Metallschaums zum Tragen kommen, also insbesondere Bauteile, die leicht, schall- und wärmedämmend und nicht brennbar sowie als Schrott recycelbar sein sollen, wie im Fahrzeugbau, einschließlich dem Flugzeugbau.

Das Substrat kann ferner aus einem beliebigen Material bestehen, sofern dieses einen Schmelzpunkt aufweist, der über dem der Schäumtemperatur des Metallschaums liegt, also über dem Schmelzpunkt des Metalls des Metallschaums. D. h., das Substrat kann aus Metall bestehen oder einem anderen hochschmelzenden Material, insbesondere keramischen Materialien. Beispielsweise kann das Substrat Aluminium, Titan, Kupfer oder eine Legierung dieser Metalle oder Stahl, z. B. ein Karosserieblech, sein.

Auf das Substrat wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Spritzschicht durch thermisches Spritzen eines Metallpulvers gemeinsam mit dem Treibmittel aufgetragen.

Dabei kann ein beliebiges thermisches Spritzverfahren zur Anwendung kommen, also z. B. Flammspritzen, Plasmaspritzen, Lichtbogenspritzen oder Detonationsspritzen.

Besonders bevorzugt wird beim erfindungsgemäßen Verfahren das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder Hochgeschwindig­ keitsplasmaspritzen.

Beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (englisch: high velocity oxygen fuel oder HVOF) weist die Flammspritzpistole eine Laval-Düse auf, mit der der Spritzstrahl auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt wird.

Die geschmolzenen Metallpulverteilchen und die Treibmittelteilchen treffen damit mit einer Geschwindigkeit von beispielsweise 400 bis 900 m/s, also nach einer Flugzeit von z. B. 1 bis 5 ms auf das Substrat auf.

Aufgrund dieser extrem kurzen Flugzeit wird verhindert, daß sich das Treibmittel zersetzt. Um der Zersetzung des Treibmittels entgegenzuwirken, werden erfindungsgemäß vorzugsweise noch weitere Maßnahmen getroffen. So wird für die Treibmittelteilchen eine größere Teilchengröße gewählt, während die Teilchengröße der Metallpulverteilchen möglichst klein ist.

Auch besitzen die Treibmittelteilchen einen wesentlich geringeren Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten als die Matrix.

Durch ihre Größe und die Tatsache, daß sie nur einen geringen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten besitzen, nehmen die Treibmittelteilchen eine nur relativ geringe Wärmemenge aus dem Spritzstrahl auf. Damit wird ihre Zersetzung verhindert. Umgekehrt nehmen die Metallpulverteilchen aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit und ihres kleinen Teilchendurchmessers und damit ihrer großen spezifischen Oberfläche eine entsprechend große Wärmemenge aus dem spritzstahl auf, so daß sie zu Tröpfchen schmelzen, die beim Auftreffen auf das Substrat eine dichte Spritzschicht oder Matrix bilden, in die die Treibmittelteilchen eingebettet sind.

Auch ist es möglich, um eine Zersetzung der Treibmittelteilchen beim thermischen Spritzen zu verhindern, die Treibmittelteilchen z. B. durch Agglomerieren mit Metallpulverteilchen zu ummanteln, beispielsweise dadurch, daß die Treibmittelteilchen, mit einem Klebstoff versehen, mit einem Metallstaub in Berührung gebracht werden.

Beim Flammspritzen wird der Brennkammer der Pistole im allgemeinen als Spritzpulver ein Gemisch aus den Metallpulverteilchen und den Treibmittelteilchen zugeführt. Es ist jedoch auch möglich, das Metallpulver und das Treibmittel getrennt in den Spritzstrahl einzubringen. Diese Möglichkeit besteht insbesondere beim Plasma- Spritzen, bei dem das Spritzpulver dem Plasmastrahl extern zugeführt wird. Damit kann das Metallpulver dem Plasmastrahl z. B. im mittleren Bereich und das Treibmittel am Plasmastrahlende oder zwischen dem Plasmastrahl und dem Substrat zugeführt werden, um eine Zersetzung des Treibmittels zu verhindern.

Zu erwähnen ist in diesem Zusammenhang auch, daß zur Modifizierung der Eigenschaften des Metallschaums ein oder mehrere weitere Werkstoffe in Pulverform gemeinsam mit dem Metallpulver und dem Treibmittel durch thermisches Spritzen auf das Substrat aufgetragen werden können, z. B. ein Keramik-Pulver oder Kohlenstoff-Pulver.

Als Metallpulver dann ein beliebiges Metall verwendet werden, das ich zum vermischen Spritzen eignet, beispielsweise Aluminium, Magnesium, Kupfer, ein Eisengruppenmetall, wie Eisen, Nickel oder Cobalt, oder Titan oder eine vorzugsweise niedrigschmelzende Legierung dieser Metalle. Jedes spritzbare Matrixmaterial ist verwendbar.

Das Treibmittel kann ein Metallhydrid, -carbonat, -sulfid, -sulfat, -oxid, -nitrid oder -azid oder dgl. Stickstoffverbindung sein. Auch kann es ein sich bei Schmelztemperatur des Metalls zersetzender organischer Stoff sein oder eine metallorganische Verbindung oder das Metallsalz einer organischen Säure.

Ferner kann das Treibmittel in Metall mit relativ niedrigem Siedepunkt sein. So ist es beispielsweise möglich, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, Eisenpulver als Matrix-Werkstoff zusammen mit Magnesiumpulver als Treibmittel aufzuspritzen. Magnesium hat nämlich einen Siedepunkt von etwa 1090°C bei Atmosphärendruck, so daß es zur Bildung von Blasen in der Spritzschicht führt, wenn die verwendete Eisenlegierung einen höheren Schmelzpunkt besitzt.

Beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen hat sich ein Gemisch aus einem Aluminium- oder Aluminiumlegierungspulver und Titanhydrid (TiH₂) als Treibmittel als besonders geeignet erwiesen.

Die mittlere Teilchengröße des Metallpulvers ist geringer als die mittlere Teilchengröße des Titanhydrids, und zwar beträgt die mittlere Teilchengröße des Metallpulvers vorzugsweise 5 bis 80 µm und die mittlere Teilchengröße des Titanhydrids 50 bis 150 µm.

Als Metallpulver kann beispielsweise eine Aluminium/Magnesium-Legierung mit einem Gewichtsverhältnis von Aluminium:Magnesium von 1 : 2 bis 2 : 1 verwendet werden.

An das Aufspritzen schließt sich beim erfindungsgemäßen Verfahren das Aufschäumen der Spritzschicht an. D. h., die Spritzschicht wird zur Bildung des Metallschaums auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur und oberhalb der Schaumbildungstemperatur des Treibmittels erwärmt. Unter Schaumbildungstemperatur ist dabei entweder die Zersetzungstemperatur oder die Verdampfungstemperatur des Treibmittels zu verstehen.

Die Zersetzungs- oder Verdampfungstemperatur des Treibmittels liegt dabei normalerweise unterhalb des Schmelzpunkts der Metall-Matrix der Spritzschicht, also des Metalls des Metallschaumes. Wenn die Zersetzungs- bzw. Verdampfungstemperatur höher liegt, würde sich nämlich das Treibmittel aufgrund seines unterschiedlichen spezifischen Gewichts in der Schmelze nach oben oder unten absetzen, wodurch die Schaumbildung verhindert, jedenfalls gestört werden würde.

Das Erwärmen der Spritzschicht zur Bildung des Metallschaums erfolgt im allgemeinen in einem getrennten Arbeitsgang. D. h., das Substrat wird nach dem Aufspritzen beispielsweise in einem Ofen als Ganzes erwärmt oder nur örtlich im Bereich der Spritzschicht, beispielsweise mit einem Schweißbrenner.

Während die Spritzschicht nach dem Aufspritzen nur mechanisch an das Substrat gebunden ist, wird durch das Erwärmen zum Aufschäumen eine metallurgische Verbindung zwischen Metallschaum und Metallsubstrat gebildet.

Auch ist es möglich, den Verbund aus Substrat und Spritzschicht vor dem Aufschäumen zu verformen oder in anderer Weise zu bearbeiten.

Um eine Änderung des Gefüges und damit der Werkstoffeigenschaften des Substrats zu verhindern, weist das Metall, das den Metallschaum bildet, eine möglichst niedrigen Schmelzpunkt auf. Wie erwähnt, wird beispielsweise für einen Metallschaum auf einem Substrat aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung vorzugsweise eine niedrigschmelzende Legierung aus Aluminium und Magnesium verwendet.

Das Aufschäumen der Spritzschicht kann unkontrolliert, also ohne Gegenfläche erfolgen, oder kontrolliert in einem begrenzten Raum, also z. B. einer Form.

Der Treibmittel-Gehalt in der Spritzschicht wird vorzugsweise auf 0,1 bis 5 Gew.-%, insbesondere 0,5 bis 2 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Spritzschicht, eingestellt.

Die Spritzschicht auf dem Substrat muß auf eine solche Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Metalls der Metallmatrix der Spritzschicht erwärmt werden, daß eine ausreichend dünnflüssige Schmelze vorliegt. Im allgemeinen wird das Substrat mit der Spritzschicht daher auf eine Temperatur von etwa 50°C oder maximal 100°C oberhalb des Schmelzpunkts des Metalls der Metallmatrix erwärmt. Je höher die Temperatur der Schmelze ist, um so größere Poren werden gebildet, während bei einer Temperatur, welche nur knapp über dem Schmelzpunkt liegt, kleine Poren entstehen. D. h., die Porengröße des Metallschaums ist über die Temperatur steuerbar, auf die das Substrat mit der Spritzschicht erwärmt wird, ferner über die Zeit, mit der die Temperatur einwirkt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Seite des Schaumstoffs durch das Substrat bedeckt. Um auch die dem Substrat gegenüberliegende Seite des Schaumstoffs mit einer Deckschicht zu versehen, kann z. B. durch thermisches Spritzen mit einem Metallpulver ohne Treibmittel eine porenfreie Schicht aufgebracht werden.

Auch ist ein Sandwich-Aufbau, also ein Schichtstoff mit weiteren Schichten, herstellbar. So kann beispielsweise auf die Spritzschicht mit dem eingebetteten Treibmittel nach dem gleichen oder einem anderen thermischen Spritzverfahren eine Zwischenschicht, z. B. aus einem anderen Metall oder einem keramischen Material, aufgespritzt werden, worauf auf die Zwischenschicht eine zweite Spritzschicht mit eingebettetem Treibmittel durch thermisches Spritzen aufgebracht wird, und z. B. als letzte Lage eine porenfreie Deckschicht.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:

Fig. 1 eine Ansicht eines geformten Substrats, auf das mit einer Hochgeschwindigkeitsflammspritzpistole eine schäumbare Spritzschicht aufgetragen wird;

Fig. 2a und Fig. 2b ein plattenförmiges Substrat vor bzw. nach dem Aufschäumen der Spritzschicht.

Gemäß Fig. 1 wird der Brennkammer 1 einer Hochgeschwindigkeitsflammspritzpistole 2 über eine Leitung 3 ein Gemisch aus Metallpulver und Treibmittelpulver zugeführt, und über eine Leitung 4 ein Brenngas/Sauerstoff- Gemisch. Durch die Laval-Düse 5 der Pistole 2 wird ein Spritzstrahl 6 hoher Geschwindigkeit erzeugt, der über die Expansionskammer 7 auf das Substrat 8 auftrifft, wobei aus den im Spritzstrahl 6 gebildeten Metalltröpfchen und dem unzersetzten Treibmittel eine Spritzschicht 9 aus einer Metallmatrix gebildet wird, in der das Treibmittel eingebettet ist. Das Substrat 8 besitzt, wie in Fig. 1 beispielhaft gezeigt, Kanten, Ecken und eine Krümmung. Die Spritzschicht 9 kann gezielt unterschiedlich dick aufgebracht werden.

Das Substrat 8 kann im Bereich des Spritzstrahles 6 mit einem Gas, beispielsweise Kohlendioxid, gekühlt werden.

Wie in Fig. 2a und Fig. 2b gezeigt, wird die Spritzschicht 9 auf dem Substrat 8 durch Erwärmen des Metalls der Metallmatrix auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Metalls aufgeschäumt, um einen Metallschaum (gemäß Fig. 2b) zu bilden. Die Metallmatrix der Spritzschicht 9 muß dabei frei von Rissen, Poren oder sonstigen Fehlstellen sein, die ein Verdampfen des Treibmittels bei Schäumtemperatur in die Umgebung und damit eine Blasenbildung verhindern würden.

Beispiel

Auf ein Blech aus einer Aluminiumlegierung wird mit einem Spritzpulver aus einer Aluminium/Magnesium-Legierung mit einem Schmelzpunkt von ca. 480°C und einer Teilchengröße kleiner als 63 µm, dem 2 Gew.-% eines Titanhydrid-Pulvers mit einer Zersetzungstemperatur von etwa 350°C und einer Teilchengröße kleiner als 105 µm zugesetzt worden sind, mit einer Hochgeschwindigkeitsflammspritzpistole eine 4 mm dicke Spritzschicht aufgetragen.

Das Substrat mit der Spritzschicht wird anschließend in einen Ofen mit einer Temperatur von ca. 500°C gegeben, um die Spritzschicht zu einer Schaumschicht von ca. 20 mm aufzuschäumen.

Das Blech mit der Spritzschicht kann vor dem Aufschäumen mechanisch bearbeitet werden, beispielsweise durch spanabhebende Bearbeitung oder Formen.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung eines Metallschaumteils aus einer Schicht aus einem Metall und einem Treibmittel, dessen Gehalt in der Schicht höchstens 5 Gew.-% beträgt, wobei die Schicht durch Erwärmung auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls aufgeschäumt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht durch gemeinsames thermisches Spritzen eines Metallpulvers und des Treibmittels auf ein entsprechend dem zu bildenden Teil geformtes Substrat gebildet wird, wobei das Metallpulver eine mittlere Teilchengröße aufweist, die kleiner ist als die mittlere Teilchengröße des Treibmittels.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Spritzen durch Hochgeschwindigkeitsflamm- oder Hochgeschwindigkeitsplasma-Spritzen erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spritzschicht zur Bildung des Metallschaums auf eine Temperatur erhöht wird, die höchstens 100°C über der Schmelztemperatur des Metalls liegt.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallpulver Aluminium oder eine Aluminiumlegierung verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallpulver eine Legierung aus Aluminium und/oder Magnesium verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat ein Metall oder ein keramisches Material verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Treibmittel ein Treibmittel mit einer Zersetzungstemperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Metalls verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Treibmittel ein Metallhydrid verwendet wird.